Mogelijk gemaakt door een subsidie ​​van $ 1,2 miljoen van de National Institutes of Health (NIH), De wetenschapper Wayne Frasch van de Arizona State University ontcijfert hoe een van 's werelds kleinste moleculaire motoren werkt in levende cellen. In het proces, hij werpt ook licht op een natuurkundige puzzel die wetenschappers al meer dan 40 jaar verbijsterd.

Frasch, een professor aan de School of Life Sciences, onderzoekt de Fo moleculaire motor, het werkingsmechanisme en hoe het samenwerkt met de F1-motor als onderdeel van de FoF1 ATP-synthase. Met een diameter van ongeveer 10 nanometer, elke motor is 10, 000 keer kleiner dan de breedte van een stuk papier. In levende wezens, Fo en F1 zijn verbonden door een gemeenschappelijke roterende as waardoor de twee motoren samenwerken en energie aan cellen leveren in de vorm van adenosinetrifosfaat (ATP).

Onderzoek naar motoren op nanoschaal is niet alleen gecompliceerd door de grootte. Moleculaire motoren werken via extreem kleine bewegingen die plaatsvinden op tijdschalen die buitengewoon moeilijk te meten zijn. De moleculaire motor van Fo is ook ingebed in het lipidemembraan van een levende cel, die slechts twee moleculen dik is. Een toevoeging aan de experimentele uitdaging is het feit dat de rotatie-energie van de moleculaire motoren voortkomt uit de stroom van protonen, positief geladen atomaire deeltjes, over dat membraan.

Het Frasch-lab is een van de weinige laboratoria die is uitgerust om te visualiseren hoe een enkel molecuul van de Fo-motor draait. Frasch en zijn collega's van het ASU College of Liberal Arts and Sciences hebben een experimenteel systeem ontwikkeld dat de Fo-motor insluit in een kunstmatige fosfolipidedubbellaag die is vastgelegd in nanodiscs, die helpen om de moleculaire complexen te stabiliseren. De groep van Frasch bedacht vervolgens een beeldvormingsstrategie, met behulp van gouden nanostaafjes bevestigd aan Fo om de rotatie van de enkele FoF1-moleculen te volgen.

“Meer weten over deze kleine, maar buitengewoon efficiënte – bijna 100 procent – ​​moleculaire motoren bieden een mogelijkheid om nieuwe technologieën te ontwikkelen, zoals stroombronnen voor brandstofefficiënte nanoapparaten en nanotechnologietoepassingen zoals moleculaire detectie, informatica en biogeneeskunde, ', zegt Frasch.

Een vroege uitkomst van de FoF1-experimenten van Frasch en het ASU-team, onlangs gepubliceerd in EMBO Journal, biedt verleidelijke nieuwe aanwijzingen voor een oud raadsel:een Browniaanse ratel die meer dan 40 jaar geleden voor het eerst werd voorgesteld door natuurkundige Richard Feynman.

"Eerdere studies van de Fo-motor brachten onderzoekers ertoe te suggereren dat Fo een moleculaire ratel bevat die de Brownse beweging kan beïnvloeden, de willekeurige beweging van moleculen, op een manier die rotatie in de richting van ATP-synthese bevordert, ', zegt Frasch. “Echter, er was weinig bewijs voor het type periodieke onderbrekingen in de rotatie die consistent is met dit type ratelmechanisme.

Wat bekend was, is dat de stroom van protonen over het membraan door Fo-kanalen in een statische subeenheid-'a' de rotatie van de 'c'-ringrotor met de klok mee aandrijft, bestaande uit 10 c-subeenheden die elk een enkel proton pendelen. Deze rotatie met de klok mee drijft op zijn beurt de ATP-synthese aan, die optreedt in de F1-motor omdat de c-ring is bevestigd aan één uiteinde van de as die de eenheden Fo en F1 verbindt.

Met behulp van een gouden nanostaafje bevestigd aan de c-ring van een enkel FoF1-molecuul, De groep van Frasch kan de rotatie van de motor nader onderzoeken. De groep meet veranderingen in lichtintensiteit van de gouden nanostaaf terwijl deze (en de c-ring) roteert, waardoor het ASU-team kan "zien" dat de roterende beweging van de c-ring periodiek wordt onderbroken. “Toen subeenheid-a zich vastgreep aan subeenheid-c, de interactie gedroeg zich als een riem, waardoor de c-ring kan draaien, maar met een limiet van stappen van 36 graden terwijl hij is ingeschakeld - zoals een ratel, ’ zegt Frasch, "Deze periodieke onderbreking vond alleen plaats onder omstandigheden waarin er voldoende weerstand op de nanostaaf was om de motor te vertragen, vergelijkbaar met omstandigheden die worden aangetroffen in een levende cel waar ATP op een hoog niveau wordt gehouden."

Met de nieuwe NIH-financiering, Frasch's School of Life Sciences onderzoeksgroep zal onderzoeken of de riem een ​​onderdeel is van de lang gezochte Browning ratel. Begrijpen hoe en of Brownse beweging wordt benut in een moleculaire ratel heeft het potentieel voor gebruik bij de ontwikkeling van synthetische moleculaire motoren met een laag energieverbruik en energieproductie op nanoschaal.