En ny matematisk modelleringsmetod har utvecklats för att uppskatta operationsmodeller för biomolekylära motorer från enmolekylära avbildningsdata för rörelse med det Bayesianska inferensramverket. Funktionsmekanismen för en linjär molekylär motor "kitinas, "som rör sig i en riktning på en kitinkedja och försämrar kedjan som passerar förbi, belystes genom matematisk modellering av experimentell bilddata med metoden.

Biomolekylära motorer i celler genererar enkelriktad rörelse, förbrukar kemisk energi som erhålls av, till exempel, hydrolys av ATP. Förtydligande av funktionsprincipen för sådana molekylära motorer, som är naturtillverkade nanomaskiner som består av proteiner, har väckt stor uppmärksamhet. Enkelmolekylavbildning, som direkt kan fånga rörelsen hos molekylära motorer, är en lovande teknik för att förstå funktionsprincipen för molekylära motorer. Dock, det är fortfarande oklart hur förbrukningen av kemisk energi, dvs. förändring i kemiska tillstånd hos sådana motorproteiner, ger upphov till den enkelriktade rörelsen av hela motorerna. Forskare vid Institutet för molekylär vetenskap och Shizuoka University har hittat förändringen av formerna för fri energiprofiler längs rörelsen av en molekylär motor utlöst av kemiska tillståndsförändringar i motorn.

Forskarna försökte först upprätta en beräkningsmodell för att beskriva rörelsen hos molekylära motorer. En motors rörelse kan betraktas som diffusiv rörelse på fria energiprofiler som växlar enligt de kemiska tillstånden hos molekyler som består av motorn. Mer specifikt, som visas i Fig. 1A, motorn rör sig först på den fria energiytan i kemiskt tillstånd 1 (rött) hos motormolekylerna, och rör sig sedan på den fria energiytan i kemiskt tillstånd 2 (blått). Dock, denna kemiska tillståndsväxling observeras vanligtvis inte vid bildbehandling med en enda molekyl. Forskarna behandlade övergången mellan de kemiska tillstånden med hjälp av en dold Markov-modell där de kemiska tillstånden betraktas som "dolda" tillstånd (Fig. 1B).

Genom att använda denna dolda Markov-modell, det är möjligt att beräkna "sannolikhet, " som utvärderar sannolikheten för att visa hur väl modellen förklarar banan för den faktiska enmolekylära rörelsen. Det är också möjligt att införliva kunskap om de fria energiprofilerna som tidigare sannolikheter. Forskarna har utvecklat en metod för att uppskatta kemiskt tillstånd- beroende fri energiprofiler, diffusionskoefficienter på varje profil, och hastighetskonstanter för övergångar mellan dessa tillstånd inom den Bayesianska slutledningsramen genom Monte Carlo-sampling med användning av posteriora sannolikheter uttryckta som en produkt av sannolikheten och de tidigare sannolikheterna.

Sedan, metoden som utvecklats i denna studie användes för att analysera rörelsen av kitinas, en linjär molekylär motor, observeras med enmolekylär avbildning. Analys av bandata för enkelriktad rörelse av kitinas med nedbrytande av en kitinkedja avslöjade de karakteristiska fria energiprofilerna som styr rörelsen (Fig. 2). Resultaten av analysen visade att ett kitinas hamnar på en skena av kitinkedja över en relativt låg fri energibarriär genom Brownsk rörelse. Sedan, den enkelriktade rörelsen uppnås genom att byta kemiska tillstånd genom hydrolysreaktionen av kitinkedjan och dissociation av reaktionsprodukterna. Den aktuella studien ger en fysisk grund för den "burnt-bridge" Brownska spärrmekanismen som forskarna tidigare har rapporterat.

"Vi kommer att tillämpa vår metod som utvecklats i denna studie på olika molekylära motorer och hoppas kunna klargöra likheterna och skillnaderna i mekanismerna för molekylmotorerna. Vi tror att nya rön kommer att erhållas med vår metod i framtiden och ger oss en ledtråd till de allmänna driftsprinciperna för molekylära motorer. Studier som använder vår metod kommer att bana väg för att designa nya artificiella molekylära motorer, " sa Okazaki.