Ett team av biofysiker från University of Massachusetts Amherst och Penn State College of Medicine satte sig för att ta itu med den långvariga frågan om naturen av kraftgenerering av myosin, den molekylära motorn som ansvarar för muskelkontraktion och många andra cellulära processer. Nyckelfrågan de tog upp – ett av de mest kontroversiella ämnena på området – var:hur omvandlar myosin kemisk energi, i form av ATP, i mekaniskt arbete?

Svaret avslöjade nya detaljer om hur myosin, motorn för muskler och relaterade motorproteiner, transducerar energi.

I slutet, deras oöverträffade forskning, minutiöst upprepat med olika kontroller och dubbelkollat, stödde deras hypotes att de mekaniska händelserna i en molekylär motor föregår - snarare än följer - de biokemiska händelserna, som direkt utmanar den sedan länge hållna uppfattningen att biokemiska händelser gränsar till den kraftgenererande händelsen. Arbetet, publicerad i Journal of Biological Chemistry , valdes ut som en redaktörs val för att "tillhandahålla ett exceptionellt bidrag till området."

Att slutföra kompletterande experiment för att undersöka myosin på minsta möjliga nivå, forskarna använde en kombination av teknologier – laserinfångning med en molekyl vid UMass Amherst och FRET (fluorescensresonansenergiöverföring) vid Penn State och University of Minnesota. Teamet leddes av muskelbiofysikern Edward "Ned" Debold, docent vid UMass Amherst School of Public Health and Health Sciences; biokemisten Christopher Yengo, professor vid Penn State College of Medicine; och muskelbiofysikern David Thomas, professor vid College of Biological Sciences vid University of Minnesota.

"Detta var första gången dessa två spetstekniker har kombinerats för att studera en molekylmotor och svara på en gammal fråga, " Debold säger. "Vi har i 50 år känt till den breda omfattningen av hur saker som muskel- och molekylmotorer fungerar, men vi visste inte detaljerna om hur det sker på minsta minutnivå, rörelserna i nanoskala. Det är som att vi tittar under huven på en bil och undersöker hur motorn fungerar. Hur tar den bränslet och omvandlar det till arbete när du trycker på gaspedalen?"

Genom att använda sin laserfällaanalys med en molekyl i sitt labb, Debold och hans team, inklusive doktorander Brent Scott och Chris Marang, kunde direkt observera storleken och hastigheten av myosins mekaniska rörelser i nanoskala när det interagerar med ett enda aktinfilament, dess molekylära partner i kraftgenerering. De observerade att det kraftgenererande steget, eller powerstroke, hände extremt snabbt, nästan så fort det band till aktinfilamentet.

I parallella experiment med FRET-analyser, Yengos team bekräftade denna snabba hastighet av kraftslaget och med ytterligare studier visade att de biokemiska nyckelstegen skedde senare och mycket långsammare. Ytterligare analys avslöjade för första gången hur dessa händelser kan samordnas av de intramolekylära rörelserna djupt inne i myosinmolekylen.

"Chris Yengo samlade in sin data separat från min och vi kombinerade och integrerade resultaten, " Debold säger. "Jag kunde se saker som han inte kunde, och han kunde se saker som jag inte kunde, och i kombination kunde vi avslöja nya insikter om hur en molekylär motor omvandlar energi. Det var tydligt att mekaniken inträffade först följt av de biokemiska händelserna."

Att betona vikten av att undersöka energitransduktion på nanoskala har mycket breda konsekvenser, Debold förklarar. "Det handlar inte bara om hur muskler fungerar, " säger han. "Det är också ett fönster till hur många motoriska enzymer i våra celler som omvandlar energi, från de som driver muskelsammandragning till de som får en cell att dela sig."

Detaljerad kunskap om den processen kan hjälpa forskare en dag att utveckla behandlingar för sådana tillstånd som hjärtsvikt, cancer med mera. "Om du förstår hur den molekylära motorn fungerar, du kan använda den informationen för att förbättra funktionen när den äventyras, som vid hjärtsvikt, " Debold säger. "Eller om du ville förhindra en tumörcell från att dela sig, du kan använda denna information för att förhindra kraftgenerering. Att veta exakt hur kraftgenerering sker kan vara mycket användbart för någon som försöker utveckla ett läkemedel för att hämma en molekylmotor under celldelning, och i slutändan cancer. "