Бегущий малыш иногда теряет опору, потому что обе ноги отрываются от земли одновременно. Кинезиновые моторы, которые перемещают материалы в клетках, имеют ту же проблему, которая ограничивает скорость, с которой они могут пересекать микротрубочки в клетке и переносить груз, по словам исследователей из Пенсильвании, которые теперь наблюдали, как эти кинезиновые моторы перемещаются, используя необычный микроскоп и метод мечения.
«Теперь мы можем наблюдать биологические процессы с молекулярным разрешением и в субмиллисекундных масштабах времени», - сказал Уильям О. Хэнкок, профессор биомедицинской инженерии и директор Межколледжской программы для выпускников в области биоинженерии, штат Пенсильвания. «Чтобы понять, как работают моторы в наномасштабе и миллисекундном масштабе, нам нужно увидеть, как движутся моторы. Мы знаем, что нейронам для роста и выживания требуется транспорт, а материалы должны перемещаться от одного конца (нейрона) к другому». другое."
Молекулярные моторы, в данном случае кинезины, представляют собой маленькие машины, которые используют химическую энергию для создания механических сил, достаточных для перемещения материалов через клетку. Эти молекулы имеют две конечности, соединенные вместе с приспособлениями для прикрепления на концах, которые исследователи называют «головами», но лучше их называть «ногами».
«Болезни, такие как болезнь Альцгеймера, БАС и другие, имеют дефекты в транспортном процессе (в нейронах), и на молекулярном уровне не понимают, что такое дефекты и как они влияют на транспорт», - сказал Хэнкок. «Мы считаем, что блокирующие белки связываются с дорожками микротрубочек и препятствуют моторным движениям. Мы можем измерять шаги на контрольно-пропускном пункте, и, надеюсь, это поможет нам понять болезненные состояния, при которых транспорт не работает».
Когда молекула кинезина движется от центра микротрубочки к концу, она обычно несет груз. Одна «лапка» прикрепляется к трубочке, а затем другая задняя «лапка» отделяется, перекидывается и прикрепляется. Молекулы очень стабильны в короткий момент, когда обе «ножки» соединены, но менее стабильны во время отрыва. Координация прикрепления и высвобождения имеет решающее значение для успешного продвижения молекулы по канальцу.
Хэнкок и Кит Дж. Миколайчик, докторант биоинженерии, отмечают в недавнем выпуске журнала Biophysical Journal, что «несмотря на фундаментальное значение для разнообразия задач, которые кинезины выполняют в клетках, ни одна существующая количественная модель полностью не объясняет как структурные различия между кинезинами изменяют скорость кинетики… вызывая функциональные изменения в процессивности."
Процессивность - это среднее количество шагов, которое молекулярный мотор может сделать, прежде чем он отсоединится от микротрубочки и его место займет другой.
Миколайчик построил микроскоп высокого разрешения для изучения одной молекулы, чтобы исследователи могли непосредственно наблюдать за движением молекулярного двигателя. Для этого они пометили молекулу на одной «ноге» золотой наночастицей. Это позволило исследователям следить за молекулой, отражая различные типы света от золота.
Исследователи обнаружили, что они могут смоделировать движение кинезина как гонку между прикреплением передней «стопы» и отделением задней «стопы». Эта модель ходьбы регулируется как химическими действиями высвобождения энергии из аденозинтрифосфата - молекулы-аккумулятора биологической энергии, так и механическим толчком и натяжением привязывания и расцепления. Изменение различных свойств кинезина изменяет скорость прикрепления и отсоединения.
Кинезины обычно несут свой груз в везикулах - баллоноподобных, наполненных водой мешочках внутри клеток. Одновременно везикулу могут тянуть более одного кинезинового мотора, и моторы отпадают и заменяются другими кинезиновыми моторами во время движения по канальцу. Кинезиновые «ножки» имеют определенные места на канальцах, с которыми они связываются.
"Уточнение кинетики шагов очень приятно, потому что эти вопросы существуют уже 20 лет, но только сейчас у нас есть технология, чтобы ответить на них", - сказал Хэнкок.