Oavsett om det är moln eller champagnebubblor som bildas, eller början av Alzheimers sjukdom eller typ 2 -diabetes, en gemensam mekanism fungerar:kärnbildningsprocesser.
Kärningsprocesser är ett första steg i den strukturella omorganisation som är involverad i fasövergången av materia:en vätska som omvandlas till en gas, en gas som blir en vätska och så vidare. Moln, kokande vatten, bubblor, och vissa sjukdomsstadier kännetecknas alla av bildandet av en ny termodynamisk fas som kräver att några av de minsta enheterna i den nya strukturen bildas innan denna nya fas kan växa. Att förstå denna process är avgörande för att förhindra, att stoppa eller behandla fall av kärnbildningsprocesser som gått fel - till exempel vid sjukdom hos människor. Nu, ett team av forskare från University College London och University of Cambridge i Storbritannien i samarbete med Harvard University har gjort framsteg mot att förstå detta problem ur molekylär synvinkel i en ny studie. Deras fynd är betydande för en rad fenomen, från mänsklig sjukdom till nanoteknik.
"Kanske ett intuitivt exempel på kärnbildning skulle vara det sätt på vilket ett lugnt middagsspel plötsligt förvandlas till ett dansande; en sådan övergång kräver vanligtvis flera personer att börja dansa på en gång, fungerar som en "kärna" runt vilken danspartiet samlas, "förklarade Anđela Šarić, ledande medförfattare vid University College London och University of Cambridge. Resultaten av denna studie kommer att visas denna vecka i The Journal of Chemical Physics .
"Som vanligt observeras, om denna grupp av dansare är för liten, det tenderar att ignoreras; dock, över en viss storlek, denna danskärna lockar fler och fler människor, så småningom dominerar rummet, "tillägger Thomas Michaels, den andra ledande medförfattaren. Detta minsta antal dansande människor som krävs för att omvandla festen är vad som termodynamiskt sett är allmänt känt som "den kritiska kärnan".
I sin forskning, teamet betraktar ett särskilt spännande exempel på en kärnprocess:bildandet av proteinfilament. Många trådstrukturer av proteiner som aktin och tubulin är viktiga för tillväxten, strukturell bildning, rörelse och delning av celler. De är en väsentlig egenskap hos levande system. Dock, proteinfilament kan också vara sjukdomsframkallande:Över 50 vanliga sjukdomar, inklusive Alzheimers sjukdom, Parkinsons sjukdom, och typ 2 -diabetes, är associerade med bildandet och avsättningen i hjärnan eller andra organ av proteinfilament som vanligen kallas amyloider.
Med hjälp av en kombination av teori och datasimuleringar undersökte författarna kärnbildningen av proteinfilament. Deras mål var att fastställa de grundläggande fysiska principerna bakom det. Deras resultat visade att en till synes komplicerad process med fibril kärnbildning faktiskt styrs av en relativt enkel fysisk mekanism:Oorganiserade kluster av proteiner-så kallade oligomerer-bildas inledningsvis.
Dessa strukturer liknar inte proteintrådar ännu, men måste genomgå en strukturell omvandling innan de kan växa till mogna trådar, Šarić förklarade. De fann att bland många olika steg i fibrilkärnbildning, formförändringen inuti oligomerer är det hastighetsbestämande steget. Därför, konformationsförändringar i proteinet inuti oligomerer (vilket leder till bildandet av β-arkkonfigurationer) är avgörande för att förstå fibrilkärnbildning. Tidigare, storleken på den kritiska kärnan ansågs vara den hastighetsbestämande faktorn.
Studien representerar ett viktigt steg framåt i den mekanistiska förståelsen av hur proteinfilament bildas. En sådan förståelse är nyckeln för att studera de tidiga stadierna i början av sjukdomar i samband med proteinaggregation, eftersom oligomerer alltmer tros vara den främsta orsaken till celltoxicitet.
"Att förstå vilka steg på mikroskopisk nivå som är avgörande för bildandet av proteinfibriller kan ge ovärderlig information för att utforma rationella terapier som syftar till att undertrycka patogen oligomerbildning, "Förklarade Šarić
Dessutom, på grund av deras unika fysikalisk -kemiska egenskaper, proteintrådar hittar omfattande tillämpningar inom materialvetenskap som biomaterial för nanoteknik, "Michaels sa." Bättre kontroll av filamentös tillväxt skulle gynna produktionen av nya funktionella material som har omfattande tillämpningar inom materialvetenskap som biomaterial för nanoteknik. "
