Автор AZoNano 15 февраля 2021 г.

Моторные белки производят силы, необходимые для важнейших механических процессов в организме человека. В нанометровом масштабе, то есть в миллионной доли миллиметра, моторные белки, например, переносят материал в человеческие клетки или приводят в действие человеческие мышцы.

Мотор кинезина транспортирует везикулу по микротрубочке. Видео предоставлено: Тюбингенский университет.

Невидимые невооруженным глазом, эти движения могут быть заметны Эриком Шеффером, профессором клеточной нанонауки из Тюбингенского университета. Он разрабатывает уникальные силовые микроскопы, так называемые оптические пинцеты, для количественной оценки механического действия этих молекулярных машин.

Исследовательская группа профессора Шеффера из Центра молекулярной биологии растений усовершенствовала эту технологию. Уникальные зонды, такие как наносферы германия, позволяют с более высоким разрешением сил и перемещений, создаваемых двигателями. Результаты исследования опубликованы в журнале Science .

Моторные белки, которые были тщательно изучены и имеют размер всего 60 нм, на самом деле очень малы, но, тем не менее, имеют решающее значение для клеточных процессов. Помимо прочего, эти белки помогают механически разделить хромосомы во время деления клеток или передают крошечные «пакеты», так называемые пузырьки, внутри клеток.

Например, дисфункциональные двигатели в нервных клетках могут вызывать неврологические расстройства, включая болезнь Альцгеймера.

Чтобы раскрыть функции моторных белков, биофизик Эрик Шеффер сконструировал высокоточный оптический пинцет. Эти оптические пинцеты основаны на принципах, которые ранее были определены астрономом Иоганном Кеплером в 1609 году, и за это изобретение физик Артур Ашкин получил Нобелевскую премию 2018 года

.

Сверхточный оптический пинцет управляет давлением излучения лазера, удерживая мельчайшие частицы на месте без какого-либо контакта.

С помощью этого инструмента профессор Шеффер смог продемонстрировать несколько лет назад, что моторный белок, называемый кинезин, вращается во время ходьбы – с парой «ступней», он делает большие шаги в восемь нанометров и составляет половину – каждый раз переворачивать – как будто исполняя венский вальс.

Свати Судхакар, аспирант профессора Шеффера, теперь еще больше усовершенствовал технологию оптических пинцетов. Используя наносферы германия, которые имеют более высокое разрешение и относительно меньшие размеры зондов, все еще можно противодействовать невероятно малым пятипиконьютонным силам биологических двигателей.

Это означает, что теперь исследователи могут количественно оценить даже самые быстрые и малейшие движения, которые до сих пор скрывались в шторме резкого теплового движения, присущего крошечным частицам.

Используя новую технологию, команда смогла отслеживать кинезин в реальном времени, и Судхакар определил еще один промежуточный шаг в его движении, сделав вальс почти идеальным.

Существование этого промежуточного шага обсуждалось среди ученых в течение 20 лет. Впервые мы смогли измерить это напрямую с помощью оптического пинцета .

Эрик Шеффер, профессор клеточной нанонауки, Тюбингенский университет

Наносферы также показали ранее незнакомый механизм скольжения двигателя.

« Это своего рода страховочная привязь, которая удерживает двигатель на ходу, если нагрузка слишком высока », – добавил Шеффер. Этот вид механизма описывает превосходную эффективность транспорта везикул внутри клеток.

Если мы знаем, как работают кинезиновые двигатели в деталях, мы также сможем лучше понять жизненно важные клеточные процессы, которыми они управляют, а также сбои, которые могут привести к болезням .

Эрик Шеффер, профессор клеточной нанонауки, Тюбингенский университет

Профессор Шеффер сравнил новую технологию с «хорошо заглянувшим под капот » молекулярных машин. По его словам, теперь исследователи могут точно визуализировать отдельные движения молекулярных машин, а также могут лучше понять, например, как белки складываются в их точную структуру.

Как полупроводники, наносферы обладают дополнительными возбуждающими оптическими и электрическими свойствами. Следовательно, они могут быть полезны в других областях нанонауки и материаловедения, например, для более совершенных литий-ионных батарей .

Эрик Шеффер, профессор клеточной нанонауки, Тюбингенский университет

Справка журнала

Судхакар, С., и др. . (2021) Наносферы германия для пикотензиометрии сверхвысокого разрешения кинезиновых двигателей. Наука . doi.org/0.1126/science.abd9944.

Источник: https://uni-tuebingen.de/en/