NUS-biofysiker har utvecklat en manipulationsanalys som kan kvantifiera den mekaniska stabiliteten och biokemiska reglerna för intermolekylära interaktioner på singelmolekylnivå.

Mekanotransduktion är en kritisk fysiologisk process genom vilken celler känner av mekaniska stimuli och översätter dem till biokemiska och biologiska reaktioner. Denna process är ansvarig för ett antal sinnen i kroppen, inklusive beröring, balans och hörsel. Celler använder en sammansättning av olika supramolekylära kraftöverföringslänkar för mekanotransduktion. En koppling innefattar typiskt ett fåtal icke-kovalent länkade proteiner som utsätts för intracellulära krafter. Genom att undersöka de mekaniska och biokemiska reglerna för dessa kraftöverföringslänkar, vi kan bättre förstå de inblandade molekylära mekanismerna som gör att cellerna kan reagera på yttre förändringar.

Forskargruppen som består av professor Jie YAN från Institutionen för fysik och mekanobiologi, NUS, och hans forskare, Dr Shimin LE och Dr Miao YU, har utvecklat en manipulationsanalys som möjliggör direkt mätning av den mekaniska stabiliteten och biokemiska regleringar mellan proteinmolekyler under olika miljöförhållanden. Genom att använda denna analys, de har systematiskt undersökt flera intermolekylära gränssnitt som spelar avgörande roller i cellmekanotransduktion. Deras forskningsresultat visar att det finns förvånansvärt hög mekanisk stabilitet i dessa gränssnitt. Denna stabilitet möjliggör korrekt funktion av cellulära funktioner som involverar kraftöverföring på molekylär nivå.

Manipulationsanalysen är som en lång flexibel sträng för att binda de två molekylerna som mäts. De två molekylerna är vidhäftade till varandra (parat tillstånd) i initialtillståndet. När den intermolekylära interaktionen bryts under mekanisk kraft, molekylerna separeras (oparat tillstånd). De separerade molekylerna hålls i närheten av varandra av den flexibla strängen, så att de kan kopplas ihop igen efter att kraften har minskat. Separationen av molekylerna orsakar en stor stegvis förändring av molekylens förlängning längs kraftriktningen, som kan mätas (se figur). Med denna metod, den mekaniska stabiliteten hos gränsytan mellan de två molekylerna kan kvantifieras.

Prof Yan sa, "Tidigare försök att förstå de molekylära mekanismerna bakom mekanosensing har främst fokuserat på att förstå individuella proteiner som utgör länkarna och proteinerna som interagerar med dessa länkar. rollerna för kraftöverföringslänkarna som förbinder dessa proteiner har till stor del förblivit outforskade. Genom att fokusera på dessa kraftöverföringslänkar, vi kan få en mer systematisk bild av mekanosenserande mekanismer inom en cell. Detta kan också leda till utvecklingen av nya metoder för att modulera mekanotransduktion som riktar sig till dessa länkar."

"Den enmolekylära analysen som utvecklats i dessa studier kan utökas för att kvantifiera den mekaniska stabiliteten hos alla kraftbärande intermolekylära gränssnitt. Den kan också potentiellt användas för att söka efter farmaceutiska föreningar som kan förändra den mekaniska stabiliteten hos utvalda intermolekylära gränssnitt, " tillade Dr. Le.