När celler skapar proteiner, proteinerna modulerar synteshastigheten genom att utöva en mekanisk kraft på den molekylära maskinen som gör dem, enligt ett team av forskare som använde en kombination av beräkningsmässiga och experimentella tekniker för att förstå denna kraft.

Proteiner driver många av cellens vitala funktioner, från att ge struktur till att leverera information till att bekämpa virus. Defekt proteinsyntes är kopplad till många sjukdomar, inklusive undertyper av hemofili, lungcancer, och livmoderhals- och vulvarcancer.

"Det som har observerats under det senaste decenniet är att om du ändrar hur snabbt ett protein syntetiseras, du kan ändra hur proteinet beter sig, "sa Edward O'Brien, biträdande professor i kemi och ett Institute for CyberScience co-hire, Penn State. "Vi försökte identifiera nya faktorer som påverkar proteinsynteshastigheten."

Ribosomer, små fabriker i cellen, sy aminosyror i en lång kedja för att skapa proteiner. Under denna process, nysyntetiserade proteinsegment passerar genom en smal tunnel av ribosomen. När de lämnar tunneln, proteiner drar sig naturligt bort från ribosomen, Sa O'Brien.

"Dessa proteinmolekyler gillar att vara i rymdregioner med mycket ledig volym där de kan röra sig, snarare än i trånga utrymmen, sa O'Brien.

Kraften som drar proteinet från ribosomen är en entropisk dragkraft som händer naturligt, enligt O'Brien. Entropisk kraft i ett system är en kraft som härrör från hela systemets tendens att öka dess entropi, snarare än från en särskild underliggande mikroskopisk kraft. Entropi är tendensen för system att bli mer oordning med tiden.

"Den dragkraften förökas tillbaka till där syntesen sker i ribosomen, och modulerar den processen, sa O'Brien.

Forskarna observerade att ostrukturerade proteinsegment genererar piconewtons kraft och att denna kraft överförs över ribosom molekylär maskin, och att det påverkar hastigheten med vilken aminosyror sys ihop.

Teamet startade sin studie från experimentella mätningar som upptäckte hur mycket proteiner som sträckte sig på ribosomen. Forskarna matar in denna information i högpresterande datasimuleringar som kördes i flera månader med både Penn State Institute for CyberScience Advanced CyberInfrastructure och Extreme Science and Engineering Discovery Environment, en NSF-finansierad virtuell organisation. Dessa simuleringar tillät dem att se hur proteinsyntes utfördes under många förhållanden.

"Genom att förstå de faktorer som styr hastigheten för proteinsyntes, vi kan nu börja förstå hur proteinsyntes påverkar nedströms processer som involverar proteinstruktur och funktion, inklusive olika sjukdomar, sa O'Brien.

Forskarna publicerade sina fynd i Journal of the American Chemical Society .