Toen materiaalwetenschapper Omar Saleh van UC Santa Barbara en afgestudeerde student Ian Morgan het mechanische gedrag van ongeordende eiwitten in het laboratorium probeerden te begrijpen, ze verwachtten dat na uitgerekt te zijn, een bepaald modeleiwit zou onmiddellijk terugspringen, als een rubberen band.

In plaats daarvan, dit ongeordende eiwit ontspande langzaam, tientallen minuten nodig hebben om te ontspannen in zijn oorspronkelijke vorm - een gedrag dat de verwachtingen tartte, en zinspeelde op een innerlijke structuur waarvan lang werd gedacht dat ze bestond, maar is moeilijk te bewijzen.

"De snelheid van ontspanning is belangrijk omdat het ons enig inzicht geeft in de structurele organisatie van het eiwit, " zei Morgan, de hoofdauteur in een paper gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven . "Dit is belangrijk omdat de structurele organisatie van een eiwit meestal gerelateerd is aan zijn biologische functie."

Terwijl een eiwit met vaste 'vouwen' - een goed gedefinieerde driedimensionale structuur - wordt geassocieerd met zijn functie, ongeordende eiwitten, met hun onstabiele structuren, ontlenen hun functies aan hun dynamiek.

"Meer dan 40% van de menselijke eiwitten is op zijn minst gedeeltelijk ontvouwd, en ze zijn vaak gekoppeld aan kritieke biologische processen en slopende ziekten, ' zei Morgan.

De langzame relaxatie is in feite een gedrag dat typisch is voorbehouden aan gevouwen eiwitten.

"In de jaren tachtig werd ontdekt dat gevouwen eiwitten langzame relaxaties vertonen, "Morgan zei, in een gedrag dat typerend is voor glazen - een klasse materialen die noch echt vloeibare noch kristallijne vaste toestanden zijn, maar kan kenmerken van beide staten vertonen.

"We bestuderen al heel lang gevouwen eiwitten en hebben er veel goede hulpmiddelen voor ontwikkeld, dus werd snel bedacht dat de langzame relaxaties verklaard konden worden door een mechanisme waardoor 'gefrustreerde' moleculen zichzelf in een kleine ruimte probeerden te passen, "Zei Morgan - een mechanisme dat 'jamming' wordt genoemd. 'Deze verklaring heeft ons geholpen de structuur van gevouwen eiwitten beter te begrijpen en glasachtig gedrag in veel andere systemen te verklaren.'

Echter, het eiwit, die de onderzoekers probeerden uit te rekken door middel van een apparaat dat bekend staat als een magnetische pincet, was een ongeordend eiwit. Per definitie, het probeerde niet veel moleculen in een kleine ruimte te stoppen, dus het zou niet in het storingsprobleem moeten komen, zei Saleh.

"Dus, toen we langzame relaxaties waarnamen, het betekende ofwel dat onze definitie van het eiwit verkeerd was of dat er een ander mechanisme moest zijn, ' zei Morgan.

Verder, door het uitgerekte eiwit te laten ontspannen, maar het opnieuw uit te rekken met minder kracht voordat het de kans kreeg om volledig te ontspannen, de onderzoekers ontdekten dat het eiwit zijn eerdere rekken "herinnerde" - aanvankelijk langer, zoals verwacht met meer kracht, maar uiteindelijk langzaam weer ontspannend zoals verwacht met minder kracht, maar na verloop van tijd langzaam ontspannen. conceptueel, Morgan legde uit, hoe langer het eiwit wordt uitgerekt, hoe langer het duurt om te ontspannen, vandaar dat het "onthoudt" hoe lang het werd getrokken.

Om deze onverwachte, glazig gedrag, de onderzoekers lieten zich inspireren door wat alledaagse voorwerpen:verfrommeld papier en traagschuim. Beide structureel gestoorde systemen, ze vertonen een vergelijkbare trage, logaritmische ontspanning na te zijn onderworpen aan krachten, en in het bijzonder in het geval van het schuim, een "geheugen"-effect.

Voor de onderzoekers suggereerden de gedragingen dat, zoals traagschuim en verfrommeld papier, de interne structuur van het eiwit was niet een van een enkele, vaste eenheid, maar een van de vele onafhankelijke substructuren met een reeks sterktes tussen sterk en zwak die reageren op een reeks krachten die gedurende verschillende tijdsperioden op het materiaal worden uitgeoefend. Bijvoorbeeld, sterke structuren kunnen een bepaalde hoeveelheid spanning weerstaan ​​voordat ze uit elkaar worden getrokken en zijn de eerste om te ontspannen, terwijl zwakke structuren zullen rekken met kleinere krachten en meer tijd nodig hebben om te ontspannen.

Op basis van dit idee van meerdere substructuren en bevestigd met experimentele gegevens, de onderzoekers stelden vast dat de logaritmische relaxatiesnelheid van het eiwit omgekeerd evenredig is met de rekkracht.

"Hoe sterker de rekkracht die wordt uitgeoefend op het ongeordende eiwit, hoe meer het eiwit zich in dezelfde tijd ontspant, ' legde Saleh uit.

"Mechanisch ongeordende systemen met vergelijkbare structurele regelingen hebben de neiging opmerkelijk duurzaam te zijn, "Zei Morgan. "Ze hebben ook verschillende mechanische eigenschappen, afhankelijk van hoeveel je eraan trekt en ze samendrukt. Dit maakt ze zeer flexibel, afhankelijk van de grootte en frequentie van de kracht." Het begrijpen van de structuur achter dit aanpassingsvermogen zou de deur kunnen openen naar toekomstige dynamische materialen, Dat, Morgan zei, "net als je hersenen, helpt hen om onbelangrijke informatie uit te filteren en maakt ze efficiënter in het opslaan van herhaalde stimuli."