Terwijl we werken aan het verbeteren van een hulpmiddel dat het duwen en trekken meet dat wordt waargenomen door eiwitten in levende cellen, biofysici van Johns Hopkins zeggen dat ze een reden hebben ontdekt waarom spinnenzijde zo elastisch is:stukjes van de eiwitdraden van zijde werken als supersprings, uitrekken tot vijf keer hun oorspronkelijke lengte. De onderzoekers zeggen dat de tool licht zal werpen op veel biologische gebeurtenissen, inclusief de verschuivende krachten tussen cellen tijdens uitzaaiing van kanker.

"Alle andere bekende bronnen, biologische en niet-biologische, verlengen op een manier die recht evenredig is met de kracht die erop wordt uitgeoefend, alleen totdat ze zijn uitgerekt tot ongeveer 20 procent van hun oorspronkelijke lengte, " merkt Taekjip Ha op, doctoraat, hoofdonderzoeker van het onderzoek. "Op dat punt, je moet steeds meer kracht uitoefenen om ze dezelfde afstand uit te rekken als voorheen. Maar het stuk van het spinnenzijde-eiwit waarop we ons concentreerden, blijft zich uitrekken in directe verhouding tot de uitgeoefende kracht totdat het zijn maximale rek van 500 procent bereikt."

Details van het onderzoek werden online gepubliceerd in het tijdschrift Nano-letters op 5 februari.

Haha, een Bloomberg Distinguished Professor in biofysica en biofysische chemie aan de Johns Hopkins University School of Medicine, zegt dat de nieuwe ontdekking kwam tijdens de follow-up van het onderzoek van hij en zijn team, vervolgens aan de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign, beschreven in het journaal Natuur in 2010, werk gedaan in samenwerking met celbiologen onder leiding van Martin Schwartz, daarna aan de Universiteit van Virginia.

Het Virginia-team zette die experimenten op door een herhalende aminozuursequentie - afkomstig van het spinzijde-eiwit dat bekend staat als flagelliform - in te voegen in een menselijk eiwit dat vinculine wordt genoemd. Vinculin is verantwoordelijk voor het internaliseren van krachten buiten een cel door het celmembraan en het actinenetwerk in de cel te overbruggen, waardoor het een belangrijke mechanische communicator in de cel is.

De wetenschappers flankeerden ook het flagelliforme inzetstuk in vinculine met twee fluorescerende eiwitten om op te lichten en te "rapporteren" wat er aan de hand was door fluorescentieresonantie-energieoverdracht, of FRET. FRET treedt op wanneer een fluorescerend molecuul dicht genoeg bij een ander is dat het de tweede activeert. Dus, toen vinculine ontspannen was in een cel, het "gloeide" geel, de kleur van het tweede fluorescerende eiwit wordt geactiveerd door het eerste. Terwijl vinculine zich uitrekte, het begon blauw te gloeien - de kleur van het eerste fluorescerende eiwit - omdat de toenemende afstand tussen de twee FRET-activering van het gele eiwit onmogelijk maakte.

Met behulp van reguliere fluorescentiemicroscopie, de wetenschappers konden in realtime de krachten zien die op vinculine in levende cellen inwerkten. Maar er bleef een probleem:hoe de veranderende kleuren te vertalen in metingen van kracht die door vinculine wordt 'aangevoeld'.

Daar kwam zijn team binnen, zegt Ha. De onderzoekers bevestigden het ene uiteinde van gemodificeerd vinculine aan een glasplaat en het andere aan een ketting gemaakt van DNA met een kleine plastic kraal aan het uiteinde. Vervolgens trokken ze aan de kraal met wat Ha beschrijft als "eetstokjes gemaakt van licht, " een lichtstraal focussen op een kleine plek in de buurt en een aantrekkende kracht genereren die de kraal naar de lichtbron trok. Op die manier, Ha zegt, zijn onderzoekers konden de hoeveelheid FRET koppelen aan de hoeveelheid kracht op vinculine, waardoor ze de dynamische krachten kunnen meten die op eiwitten in levende cellen inwerken, gewoon door ze in beeld te brengen.

In dat eerdere onderzoek het team voegde 40 flagelliforme aminozuren toe aan vinculine, samengesteld uit acht herhalingen van de aminozuursequentie GPGGA. In deze nieuwe studie de wetenschappers wilden meer leren over het flagelliform-gereedschap door de lengte ervan te variëren, dus creëerden ze inserts van vijf en tien herhalingen om te testen naast de originele insert van acht. Wat ze ontdekten, is dat de kortste wisselplaat het meest reageerde op het breedste scala aan krachten, reageren met lineaire lengtetoenames op krachten van 1 tot 10 piconewtons. (Ha zegt dat 1 piconewton ongeveer het gewicht van een bacterie is.)

Het team verwachtte niet dat de inzetstukken van spinzijde zo'n lineair gedrag zouden vertonen, omdat:volgens Ha, ze vormen niet goed gedefinieerd, driedimensionale structuren. "Gebruikelijk, ongestructureerde eiwitten vertonen wanordelijk, niet-lineair gedrag wanneer we eraan trekken, ", zegt Ha. "Het feit dat deze niet op die manier werken, betekent dat ze echt nuttige hulpmiddelen zullen zijn voor het bestuderen van eiwitmechanica, omdat hun gedrag gemakkelijk te begrijpen en te voorspellen is."

Nu al, Ha zegt, de flagelliform insert van acht herhalingen van het vorige onderzoek is gebruikt om veel biologische verschijnselen te bestuderen, inclusief de verschuivende krachten tussen cellen tijdens uitzaaiing van kanker en het duwen en trekken van cellen tijdens de ontwikkeling van eenvoudige, meercellige organismen, zoals wormen.

"Spanning is belangrijk voor veel activiteiten in cellen, " zegt Ha. "Cellen voelen mechanische krachten in hun omgeving en veranderen hun gedrag en functies als reactie. Nu hebben we een manier om deze krachten te bekijken en te begrijpen en hoe ze op moleculair niveau in levende cellen worden overgedragen."