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分子显微镜照亮分子运动

2019-06-06 09:41:03 • 来源：

一个小孩跑步有时会失去立足点，因为双脚同时离开地面。根据宾夕法尼亚州立大学研究人员的观点，现在已经看到这些驱动电机使用不同寻常的显微镜和标记方法进行移动，在细胞中移动材料的驱动电机具有相同的问题，这限制了它们穿过细胞中的微管并携带货物的速度。

分子显微镜照亮分子运动

“我们现在可以在分子分辨率和亚毫秒时间尺度上看到生物过程，”生物医学工程教授兼宾夕法尼亚州生物工程学院间研究生项目主任William O. Hancock说。“要了解电机如何在纳米尺度和毫秒尺度上工作，我们需要了解电机是如何行走的。我们知道神经元需要运输才能生长和存活，材料需要从一端(神经元)传播到其他。”

分子马达，在这种情况下是驱动蛋白，是使用化学能产生足以将材料运送通过细胞的机械力的小型机器。这些分子有两个肢体连接在一起，两端有连接装置，研究人员称之为“头部”，但更好地将其视为“脚”。

“像阿尔茨海默氏症，肌萎缩侧索硬化症等疾病在运输过程中(在神经元中)存在缺陷，并且在分子水平上不了解缺陷是什么以及它们如何影响运输，”汉考克说。“我们认为，路障蛋白与微管结合并阻碍运动。我们可以测量路障的步骤，希望它能帮助我们了解运输不起作用的疾病状态。”

当驱动蛋白分子从微管的中心向末端移动时，它通常携带货物。一个“脚”连接到小管，然后另一个“脚”分离，摆动并附着。当两个“脚”连接时，分子在短时间内非常稳定，但在分离时则不那么分子。附着和释放的协调在成功地沿着小管走下的分子中是至关重要的。

Hancock和生物工程博士候选人Keith J. Mickolajczyk在最近一期“生物物理学杂志”上指出，“尽管对于驱动蛋白在细胞中进行的任务的多样性具有根本重要性，但现有的定量模型没有充分解释驱动蛋白之间的结构差异。改变动能率......产生持续性的功能变化。“

持续合成能力是分子马达在从微管分离之前可以采取的平均步数，而另一个必须取代它。

Mickolajczyk建造了高分辨率的单分子显微镜，以便研究人员可以直接看到分子马达的移动。为此，他们用金纳米粒子在一个“脚”上标记分子。这使研究人员能够通过反射金的各种光来跟踪分子。

研究人员发现，他们可以将驱动蛋白运动模拟为前向“脚”的附着和后“脚”的分离之间的竞赛。这种行走模式受到三磷酸腺苷(生物能量储存分子)释放能量的化学作用以及束缚和解除束缚的机械推拉力的控制。改变驱动蛋白的各种性质改变了附着和脱离率。

驱动蛋白通常将其货物运送到细胞内的囊泡 - 气球状，充满水的囊中。不止一个驱动蛋白电动机可以一次牵引囊泡，并且电动机在沿着小管运动期间脱落并被其他驱动电动机取代。驱动蛋白“足”在小管上限定了可以结合的位置。

“澄清这些踩踏动力学是非常令人满意的，因为这些问题已存在了20年，但现在我们才有技术来解决它们，”汉考克说。

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