Var och en av våra celler är omgiven av ett komplext membran som fungerar som en biologisk gräns, låta joner och näringsämnen som salt, kalium och socker in och ut. Skyddarna är membranproteiner, som gör det hårda arbetet med att tillåta eller blockera trafiken av dessa molekyler.

Strängar av bundna vattenmolekyler, kallas vattentrådar, spela en viktig roll i denna process som man trodde var väl förstådd. Nu, ett team vid Florida State University med huvudkontor National High Magnetic Field Laboratory (MagLab) upphäver årtionden långa antaganden om hur de faktiskt interagerar med proteiner.

Deras tidning publicerades idag i Proceedings of the National Academy of Sciences .

Medan forskare visste att vattentrådar spelade en roll för att leda näringsämnen över cellmembranet, de underskattade kraftigt deras interaktioner med membrankanalen. Detta fynd har utbredda konsekvenser, forskare sa, ifrågasätter befintliga modeller av hur vatten beter sig inuti andra proteiner.

"Det är där det här blir riktigt intressant ur ett biologiskt perspektiv, " sa motsvarande författare Tim Cross, chef för den Tallahassee-baserade kärnmagnetisk resonans (NMR) anläggningen vid National MagLab och Robert O. Lawton professor i kemi. "Nu förstår vi att interaktionerna mellan vattnet och proteinets syreatomer som kantar porerna kommer att bli mycket starkare än någon har förväntat sig. Och det kommer att påverka hur dessa proteiner fungerar."

Arbetet är också viktigt, Cross lade till, eftersom det visar hur en unik, världsrekord magnet, känd som Series Connected Hybrid (SCH), ger forskare tillgång till nya detaljer om proteiner och andra biologiska system.

Deras studie fokuserade på gramicidin A, en antibiotisk peptid (eller litet protein) som är formad som en helix. Två av dessa molekyler staplade ovanpå varandra skapar en smal kanal i vissa cellmembran genom vilken joner kan passera in och ut. En åtta molekyl lång vattentråd som spänner över kanalens längd fungerar som ett slags smörjmedel i denna process. Väten i dessa vattenmolekyler binder till några av syreatomerna i gramicidinet som omger dem. Orienteringen av vattentrådsmolekylerna ansågs vända extremt snabbt, bindning och avbindning med syreatomer i gramicidin A många gånger per nanosekund.

Dock, när MagLab-teamet tittade närmare på detta system, de upptäckte något som ifrågasatte den rådande uppfattningen. Deras första ledtråd kom för ungefär två år sedan, när Joana Paulino, sedan en postdoktor vid MagLab som arbetar med Cross, satte lite specialbehandlat gramicidin A i SCH och körde några NMR-experiment.

Forskare använder NMR-maskiner för att bättre förstå strukturen och funktionen hos komplexa molekyler som proteiner och virus. De kan ställa in maskinen för att identifiera, till exempel, alla natriumatomer i ett prov och deras orienteringar gentemot andra atomer. Varje atom skickar en kontrollsignal tillbaka till maskinen.

Men vissa atomer är lättare att upptäcka med NMR än andra. Syre, till exempel, är ganska svårt att se. Så, tills nyligen, en av de mest biologiskt aktiva atomerna i kroppen var nästan osynlig för NMR. Delvis på grund av en kraftfull magnet som genererar ett fält på 36 tesla (en enhet för magnetfältstyrka), SCH kan "se" syre.

De specifika gramicidinproverna Paulino tittade på hade redan studerats på djupet år tidigare i en annan kraftfull NMR-magnet vid MagLab. Cross etablerade sin karriär med sitt arbete på gramicidin, känd för att vara en perfekt symmetrisk struktur:Det sista han förväntade sig var en överraskning.

Gramicidinprovet bestod av två identiska, staplade, spiralformade molekyler. Paulino undersökte exakt samma syreatom på båda, hoppas att den mer känsliga SCH skulle upptäcka en tydligare signal från dessa två atomer än vad som tidigare observerats.

Men hon såg inte bara en syresignal:Hon såg två.

Vid första rodnad, resultaten tycktes tyda på att det var något fel med modellen av en perfekt symmetrisk gramicidin A – modellen som hade förtjänat Cross hans ämbetstid. Hans omedelbara reaktion på Paulinos mätningar var, "Väl, det måste vara fel."

Hans nästa tanke:"Eller, det här kan vara något väldigt intressant."

Upprepade experiment visade att Paulinos första resultat verkligen var korrekt - men inte för att molekylerna var asymmetriska. Snarare, SCH var så känslig att den upptäckte en signal från ett gramicidinsyre som var bundet till vattentråden, och en separat signal från ett gramicidinsyre som inte var bundet till tråden.

Teamet ägnade år åt att genomföra fler experiment för att se till att de förstod vad de såg.

"Varje gång vi körde ett prov av gramicidin märkt på en annan syreplats och vi såg två toppar, vi dansade lite, sa Paulino, huvudförfattare på tidningen och nu postdoktor i biokemi och biofysik vid University of California i San Francisco.

Det faktum att SCH kunde detektera signalen från det bundna syret, forskarna fastställde, innebar att interaktionerna mellan vattentråden och porväggen i gramacidin A var mycket starkare och mer långvariga - mer än en miljon gånger längre, faktiskt, än forskarna trodde.

"Energierna förknippade med processen är helt klart annorlunda än vad som föreställts, " sa Cross. "Så, vi måste gå tillbaka nu och ta en titt på energin och hur dessa vattentrådar faktiskt fungerar."

Fynden är relevanta för många andra typer av proteiner som har vattentrådar i sina cellmembran.

"Spänningen nu är att verkligen börja tänka på alla dessa andra vattentrådar i proteiner som leder joner som är nödvändiga för livet, "Cross sa, "och att förstå hur detta kommer att påverka dessa interaktioner och konduktanshastigheter."

Fynden kommer sannolikt att rubba vissa vetenskapliga fjädrar eftersom de motsäger beräkningsmodeller av vattentrådarnas molekylära dynamik som har accepterats i decennier, sa Cross.

"Forskare har en ganska bra förståelse för många saker, Cross förklarade. "Men då och då, något kommer ur det blå och tvingar oss att tänka om. Det finns inget där ute som alls skulle antyda att det fanns ett problem med dessa beräkningsstudier - tills detta."