Samtidigt som vi arbetar med att förbättra ett verktyg som mäter tryck och drag som känns av proteiner i levande celler, biofysiker vid Johns Hopkins säger att de har upptäckt en anledning till att spindlars silke är så elastiskt:bitar av silkets proteintrådar fungerar som superfjädrar, sträcker sig till fem gånger sin ursprungliga längd. Utredarna säger att verktyget kommer att belysa många biologiska händelser, inklusive skiftande krafter mellan celler under cancermetastasering.
"Alla andra kända källor, biologiska och icke -biologiska, förlängas på ett sätt som är direkt proportionellt mot kraften som appliceras på dem endast tills de har sträckts till cirka 20 procent av sin ursprungliga längd, " noterar Taekjip Ha, Ph.D., studiens ledande forskare. "Vid det tillfället, du måste lägga mer och mer kraft för att sträcka dem lika långt som tidigare. Men den bit av spindelsilkeproteinet vi fokuserade på fortsätter att sträcka sig i direkt proportion till kraften som appliceras tills den når sin maximala sträckning på 500 procent."
Detaljer om forskningen publicerades online i tidskriften Nanobokstäver den 5 feb.
Ha, en Bloomberg Distinguished Professor i biofysik och biofysikalisk kemi vid Johns Hopkins University School of Medicine, säger att den nya upptäckten kom under uppföljning av forskning han och hans team, sedan vid University of Illinois i Urbana-Champaign, beskrivs i journalen Natur år 2010, arbete utfört i samarbete med cellbiologer under ledning av Martin Schwartz, sedan vid University of Virginia.
Virginia-teamet satte upp dessa experiment genom att infoga en upprepad aminosyrasekvens – tagen från spindelsilkeproteinet som kallas flagelliform – i ett mänskligt protein som kallas vinkulin. Vinculin ansvarar för att internalisera krafter utanför en cell genom att överbrygga cellmembranet och aktinnätverket i cellen, vilket gör den till en viktig mekanisk kommunikatör inom cellen.
Forskarna flankerade också den flagelliformade insatsen i vinkulin med två fluorescerande proteiner för att lysa upp och "rapportera" vad som pågick genom överföring av fluorescensresonansenergi, eller FRET. FRET uppstår när en fluorescerande molekyl är tillräckligt nära en annan för att den aktiverar den andra. Så, när vinkulin var avslappnat i en cell, det "glödde" gult, färgen på det andra fluorescerande proteinet som aktiveras av det första. När vinkulin sträckte sig, det började lysa blått - färgen på det första fluorescerande proteinet - eftersom det längre avståndet mellan de två gjorde FRET -aktivering av det gula proteinet omöjligt.
Med hjälp av vanlig fluorescensmikroskopi, forskarna kunde se krafterna som verkar på vinkulin i levande celler i realtid. Men en fråga kvarstod:hur man översätter de förändrade färgerna till mätningar av kraft som "avkänns" av vinculin.
Det var där hans lag kom in, säger Ha. Forskarna fäst den ena änden av modifierat vinculin på en glasplatta och den andra på en tether gjord av DNA med en liten plastpärla i slutet. De drog sedan i pärlan med vad Ha beskriver som "ätpinnar gjorda av ljus, " fokuserar en ljusstråle på en liten fläck i närheten och genererar en attraktionskraft som drog pärlan mot ljuskällan. På så sätt, Ha säger, hans utredare kunde koppla mängden FRET med mängden kraft på vinkulin, så att de kan mäta de dynamiska krafterna som verkar på proteiner i levande celler bara genom att avbilda dem.
I den tidigare studien, teamet infogade 40 flagelliforma aminosyror i vinkulin, består av åtta upprepningar av aminosyrasekvensen GPGGA. I denna nya studie, forskarna ville lära sig mer om det flagelliforma verktyget genom att variera dess längd, så de skapade inlägg med fem och 10 upprepningar för att testa tillsammans med originalinlägget med åtta. Vad de fann är att den kortaste insatsen var den mest mottagliga för det bredaste krafterna, svarar med linjära ökningar i längd på krafter från 1 till 10 piconewton. (Ha säger att 1 piconewton är ungefär vikten av en bakterie.)
Teamet förväntade sig inte att spindelnätet skulle visa så linjärt beteende eftersom, enligt Ha, de bildar inte väldefinierade, tredimensionella strukturer. "Vanligtvis, ostrukturerade proteiner uppvisar oordnade, olinjärt beteende när vi drar på dem, "säger Ha." Det faktum att dessa inte agerar på det sättet innebär att de kommer att vara riktigt användbara verktyg för att studera proteinmekanik eftersom deras beteende är lätt att förstå och förutsäga. "
Redan, Ha säger, den flagelliformade insatsen med åtta upprepningar från tidigare forskning har använts för att studera många biologiska fenomen, inklusive växlingskrafterna mellan celler under cancermetastaser och tryckning och dragning av celler under utvecklingen av enkla, flercelliga organismer, som maskar.
"Spänning är viktig för många aktiviteter inuti celler, " säger Ha. "Celler känner av mekaniska krafter i sina miljöer och ändrar sina beteenden och funktioner som svar. Nu har vi ett sätt att se och förstå dessa krafter och hur de överförs på molekylär nivå i levande celler."
