En ny studie från MIT-ingenjörer avslöjar hur en liten proteinmotor går längs en cellulär motorväg, bär last och genererar kraft. Studien, publicerad i tidskriften Nature Communications, kan leda till nya sätt att behandla sjukdomar som involverar motorproteinfel.
Motorproteinet, kallat kinesin-1, är ansvarigt för att transportera viktiga laster genom hela cellen. Den rör sig längs mikrotubuli, som är långa, tunna filament som bildar cellens cytoskelett. Kinesin-1 använder energi från ATP, cellens energivaluta, för att ta steg längs mikrotubuli och bära med sig sin last.
MIT-teamet använde en kombination av optisk pincett och en molekylavbildning för att studera hur kinesin-1 rör sig. De fann att proteinet tar en "hand-över-hand"-rörelse och använder ett huvud för att binda till mikrotubuli medan det andra huvudet svänger framåt för att ta nästa steg.
"Vi kunde se motorproteinet ta individuella steg, vilket är något som aldrig har setts förut", säger studiens huvudförfattare James Lockhart, postdoc vid Institutionen för biologisk teknik. "Detta gjorde att vi kunde få en detaljerad förståelse av hur kinesin-1 genererar kraft."
Forskarna fann att kinesin-1 genererar kraft genom att böja nacken. När nacken är böjd drar den lasten framåt. Teamet identifierade också en specifik rest på halsen av kinesin-1 som är avgörande för kraftgenerering.
"Denna rest är som en spärrhake", säger seniorförfattaren Catherine D. Fuh, en docent i biologisk teknik. "Det tillåter kinesin-1 att röra sig framåt längs mikrotubuli, men det hindrar det från att röra sig bakåt. Detta är viktigt eftersom det säkerställer att lasten transporteras i rätt riktning."
Studiens resultat kan leda till nya sätt att behandla sjukdomar som involverar motorproteinfel. Till exempel har defekter i kinesin-1 kopplats till neurodegenerativa sjukdomar som Alzheimers och Parkinsons. Genom att förstå hur kinesin-1 fungerar kan forskare kanske utveckla läkemedel som kan korrigera dessa defekter och förbättra patienternas resultat.
"Vår studie ger en ny förståelse för hur motorproteiner genererar kraft", säger Fuh. "Denna kunskap kan användas för att utveckla nya behandlingar för en mängd olika sjukdomar."
Uppsatsen, "Single-molecule visualization of kinesin-1 stepping on microtubules," publicerades i tidskriften Nature Communications den 11 juli 2019. Forskargruppen inkluderade James Lockhart, Catherine D. Fuh och Michelle A. Kinney från MIT; och John M. Scholey vid University of California, Davis.
Forskningen finansierades av National Institutes of Health och Muscular Dystrophy Association.
