Proteiner är de nanomaskiner som naturen använder för att utföra de flesta processer som är avgörande för metabolismen i celler. Ett av huvudmålen för livs- och fysikaliska vetenskaper kretsar kring att förstå de inföddas strukturella och dynamiska egenskaper, övergång, mellanliggande, och denaturerade tillstånd av proteiner. Denatureringsövergången – definierad som övergången av proteiner från deras specifika naturliga funktionella tillstånd till det ovikta inoperativa tillståndet – är av särskilt intresse, eftersom det definierar gränserna för stabilitet och funktionalitet för fasdiagrammet för proteiner.

Interna subnanosekunders tidsskalarörelser är också nyckeln för proteinveckning - utan dessa proteiner skulle inte ens kunna vika sig i sin ursprungliga struktur. Vidare, de är extremt känsliga för mängden och naturen av lösningsmedlet som omger proteinytan, dvs både amplituden och hastigheten för denna dynamik kan reduceras kraftigt när proteiner är inbäddade i sockerglasmatriser.

Även om vetenskapen vet att dessa snabba fluktuationer styr proteinkonformationsförändringar, deras roll för proteinstabilitet och utveckling är fortfarande svårfångad.

Resultaten av en ny studie utförd vid Institut Laue-Langevin (ILL), genom ett samarbete mellan CNRS Laboratoire de Biochimie Théorique (Frankrike), universiteten i Perugia, Pisa och Verona (Italien) och CNR (Italien), gav en förnyad bild av Lindemannkriteriet. När man utför experiment med elastisk neutronspridning, forskare hittade en vanlig skalning mot ett konstant värde för de lokala fluktuationerna av ett modellprotein i olika miljöer, när man närmar sig utveckningstemperaturen.

Med hjälp av de senaste instrumenten på ILL, nämligen backscattering-spektrometern IN13 med brett Q-område, forskarna genomförde elastiska inkoherenta neutronspridningsexperiment på lysozymproteinet, kycklingäggvitelysozym (CEWL) i närvaro av olika perdeurerade matriser (D20, glycerol, och glukos). Detta gjorde det möjligt för dem att studera modellproteinets sub-nanosekunders tidsskala dynamik i överensstämmelse med den utveckande övergången.

Denna experimentella teknik är mycket känslig för väteatomers rörelser, och lämplig för att utforska proteinrörelser på en tidsskala från pico till nano. Det ger exakta kvantitativa mätningar av amplituden av proteinets inre rörelser i termer av vätemedel-kvadratförskjutningarna (MSD).

Genom att kombinera elastisk inkoherent neutronspridning och avancerade simuleringar av molekylär dynamik, de visade att även om olika lösningsmedel modifierar proteinets smälttemperatur, en unik dynamisk regim uppnås när den är nära termisk utveckling i alla testade lösningsmedel.

Detta påminner om det berömda Lindemann-kriteriet som introducerades 1910, där F.A. Lindemann utvecklade ett praktiskt kriterium för att förutsäga smälttemperaturen för kristaller. Vidare, analogin mellan smältning av oorganiska kristaller och naturliga biomolekyler antyder att dessa till synes mycket olika system kan dela beteende i motsvarande fasövergångar.

Den vanliga skalningen för proteinet MSD vid smältpunkt belyser inte bara förhållandet mellan proteinflexibilitet och stabilitet, men öppnar också möjligheten att förutsäga proteinutveckling i speciella miljöer (t.ex. cellens inre) genom att följa termisk, lokala fluktuationer.

Kriteriet de föreslår kan även tillämpas för att undersöka temperaturområdet där mikroorganismer trivs t.ex. vid extrema temperatur- och tryckförhållanden i djuphavet eller till och med i rymden.

Denna forskning lägger potentiellt grunden för en djupare förståelse av proteiners veckning och utveckling, som är avgörande processer i metabolismen av celler, reglering av biologisk aktivitet och inriktning av proteiner till olika cellulära platser.

Dessutom, att förstå funktionerna av proteindynamik är nyckeln för bioteknik och läkemedelsindustri, där terapeutiska principer baserade på proteiner är värda cirka 30 miljarder dollar enbart på den amerikanska marknaden.