Ett nytt gummiband sträcker sig, men snäpper sedan tillbaka till sin ursprungliga form och storlek. Sträckte ut igen, det gör samma sak. Men tänk om gummibandet var gjord av ett material som kom ihåg hur det hade sträckts ut? Precis som våra ben stärks som svar på stötar, medicinska implantat eller proteser som är sammansatta av ett sådant material skulle kunna anpassa sig till miljöpåfrestningar såsom de som uppstår vid ansträngande träning.

Ett forskarlag vid University of Chicago undersöker nu egenskaperna hos ett material som finns i celler som gör att celler kan komma ihåg och svara på miljötryck. I en tidning publicerad den 14 maj, 2021 in Mjuk materia, de retade fram hemligheter för hur det fungerar – och hur det en dag skulle kunna ligga till grund för att göra användbara material.

Proteinsträngar, kallas aktinfilament, fungerar som ben i en cell, och en separat familj av proteiner som kallas tvärbindare håller ihop dessa ben till ett cellskelett. Studien fann att en optimal koncentration av tvärbindare, som binder och avbinder för att tillåta aktinet att omordnas under tryck, tillåter denna skelettställning att komma ihåg och svara på tidigare erfarenheter. Detta materiella minne kallas hysteres.

"Våra resultat visar att egenskaperna hos aktinnätverk kan ändras genom hur filamenten är inriktade, sa Danielle Scheff, en doktorand vid institutionen för fysik som utförde forskningen i Margaret Gardels labb, Horace B. Horton professor i fysik och molekylär teknik, James Franck Institute, och Institute of Biophysical Dynamics. "Materialet anpassar sig till stress genom att bli starkare."

För att förstå hur sammansättningen av denna cellulära ställning bestämmer dess hysteres, Scheff blandade ihop en buffert innehållande aktin, isolerad från kaninmuskel, och tvärbindare, isolerad från bakterier. Hon tryckte sedan på lösningen, med hjälp av ett instrument som kallas reometer. Om den sträcks i en riktning, tvärbindarna tillät aktinfilamenten att omarrangeras, förstärkning mot efterföljande tryck i samma riktning.

För att se hur hysteres berodde på lösningens konsistens, hon blandade olika koncentrationer av tvärbindare i bufferten.

Förvånande, dessa experiment indikerade att hysteres var mest uttalad vid en optimal tvärbindningskoncentration; lösningar uppvisade ökad hysteres när hon lade till fler tvärbindare, men förbi denna optimala punkt, effekten blev återigen mindre uttalad.

"Jag minns att jag var i labbet första gången jag planerade den relationen och tänkte att något måste vara fel, springer ner till reometern för att göra fler experiment för att dubbelkolla, " sa Scheff.

För att bättre förstå de strukturella förändringarna, Steven Redford, en doktorand i biofysiska vetenskaper i laboratoriet hos Gardel och Aaron Dinner, professor i kemi, James Franck Institute, och Institutet för biofysisk dynamik, skapade en beräkningssimulering av proteinblandningen Scheff producerade i labbet. I denna beräkningsåtergivning, Redford utövade en mer systematisk kontroll över variabler än vad som var möjligt i labbet. Genom att variera stabiliteten av bindningar mellan aktin och dess tvärbindare, Redford visade att avbindning gör att aktinfilament kan ordnas om under tryck, anpassa sig efter den applicerade belastningen, samtidigt som bindning stabiliserar den nya inriktningen, ger vävnaden ett "minne" av detta tryck. Tillsammans, dessa simuleringar visade att impermanenta kopplingar mellan proteinerna möjliggör hysteres.

"Folk tänker på celler som mycket komplicerade, med mycket kemisk feedback. Men det här är ett avskalat system där du verkligen kan förstå vad som är möjligt, sa Gardel.

Teamet förväntar sig dessa fynd, etablerad i ett material isolerat från biologiska system, att generalisera till andra material. Till exempel, att använda impermanenta tvärbindare för att binda polymerfilament kan tillåta dem att omarrangeras som aktinfilament gör, och därmed producera syntetiska material som kan hysteres.

"Om du förstår hur naturliga material anpassar sig, du kan överföra det till syntetiska material, sa middagen.