Stöds av ett bidrag på 1,2 miljoner dollar från National Institutes of Health (NIH), Arizona State Universitys vetenskapsman Wayne Frasch avkodar hur en av världens minsta molekylmotorer fungerar i levande celler. I processen, han kastar också ljus på ett fysikpussel som har förvirrat forskare i mer än 40 år.

Frasch, en professor vid School of Life Sciences, undersöker Fo -molekylmotorn, dess verkningsmekanism och hur den samarbetar med F1 -motorn som en del av FoF1 ATP -syntas. Vid cirka 10 nanometer i diameter, varje motor är 10, 000 gånger mindre än bredden på ett papper. I levande saker, Fo och F1 är fästa med en gemensam roterande axel som gör att de två motorerna kan arbeta tillsammans och leverera energi till celler i form av adenosintrifosfat (ATP).

Forskning av nanoskala motorer är inte bara komplicerad av storlek. Molekylära motorer fungerar via extremt små rörelser som sker på tidsskalor som har varit utomordentligt svåra att mäta. Fo -molekylmotorn är också inbäddad i en levande cells lipidmembran, som bara är två molekyler tjocka. Att lägga till den experimentella utmaningen är det faktum att molekylmotorernas rotationsenergi härrör från flödet av protoner, positivt laddade atompartiklar, över det membranet.

Frasch -labbet är bland bara några få laboratorier utrustade för att visualisera hur en enda molekyl av Fo -motorn roterar. Frasch och hans ASU College of Liberal Arts and Sciences -kollegor har utvecklat ett experimentellt system som inbäddar Fo -motorn i ett konstgjort fosfolipid -tvålager som fastställs i nanodiskar, som hjälper till att stabilisera molekylkomplexen. Fraschs grupp utarbetade sedan en bildstrategi, med hjälp av guldnanoroder fästa vid Fo för att övervaka rotationen av de enda FoF1 -molekylerna.

"Att veta mer om dessa små, men utomordentligt effektiva - nästan 100 procent - molekylära motorer erbjuder ett sätt att utveckla ny teknik, såsom strömkällor för bränsleeffektiva nanodatorer och nanoteknikapplikationer som molekylär detektion, databehandling och biomedicin, Säger Frasch.

Ett tidigt resultat av Frasch och ASU -teamets FoF1 -experiment, nyligen publicerad i EMBO Journal, ger lockande nya ledtrådar till en gammal gåta:en brownisk spärr som först föreslogs av fysikern Richard Feynman för mer än 40 år sedan.

"Tidigare studier av Fo -motorn fick forskare att föreslå att Fo innehåller en molekylär spärr som kan förspänna Brownian -rörelse, slumpmässig rörelse av molekyler, på ett sätt som gynnar rotation i riktning mot ATP -syntes, Säger Frasch. ”Men Det fanns få bevis för den typ av periodiska avbrott i rotation som överensstämmer med denna typ av spärrmekanism. ”

Det som var känt är att flödet av protoner över membranet genom Fo-kanaler i en statisk subenhet-"a" driver medurs rotation av den "c"-roterande rotorn som består av 10 c-subenheter som varje pendlar en enda proton. Denna rotation medurs driver i sin tur ATP -syntes, som förekommer i F1-motorn eftersom c-ringen fäster vid ena änden av axeln som förbinder enheterna Fo och F1.

Med hjälp av en guldnanorod fäst vid c-ringen av en enda FoF1-molekyl, Fraschs grupp kan undersöka motorns rotation mer djup. Gruppen mäter förändringar i ljusintensitet från guld-nanoroden när den (och c-ringen) roterar, vilket gör att ASU-teamet kan ”se” att c-ringens roterande rörelse avbryts periodiskt. "När subenhet-a tog tag i subenhet-c, interaktionen betedde sig som ett koppel, låta c-ringen rotera, men med en gräns på 36 graders steg medan den är förlovad - som en spärr, ”Frasch säger, "Detta periodiska avbrott inträffade bara under förhållanden där det var tillräckligt med drag på nanoroden för att sakta ner motorn, liknande förhållanden som finns i en levande cell där ATP hålls på en hög nivå. ”

Med den nya NIH -finansieringen, Fraschs forskargrupp för livsvetenskapsskola kommer att undersöka om kopplet är en del av den efterlängtade Browning -spärren. Att förstå hur eller om brownisk rörelse utnyttjas i en molekylär spärr har potential att användas vid utveckling av syntetiska molekylmotorer med låg energiförbrukning och nanoskala energiproduktion.