Эти белки жизненно важны для сложной жизни, формируя транспортную инфраструктуру, которая позволяет различным частям клеток специализироваться на определенных функциях. До сих пор их движения напрямую не наблюдались.
Исследователи из Университета Лидса и в Японии использовали электронные микроскопы для получения изображений самого большого типа моторного белка, называемого динеином, во время движения по его молекулярному пути.
Доктор Стэн Берджесс из Школы молекулярной и клеточной биологии Университета Лидса, который возглавлял исследовательскую группу, сказал: «Dynein имеет два идентичных двигателя, связанных вместе, и он движется по молекулярной дорожке, называемой микротрубочкой.
Он движется по трассе, попеременно хватаясь за место крепления, выполняя силовой удар, а затем отпуская его, как человек, раскачивающийся на поручнях.
«Раньше движение динеина можно было отслеживать только путем прикрепления флуоресцентных молекул к белкам и наблюдения за флуоресценцией с помощью очень мощных световых микроскопов. Это было немного похоже на отслеживание транспортных средств из космоса с помощью GPS. Он сообщил нам, где они были, их скорость и как долго они бежали, останавливались и так далее, но мы не могли видеть сами молекулы в действии.
Это первые изображения этих жизненно важных процессов."
Понимание моторных белков важно для медицинских исследований из-за их фундаментальной роли в сложной клеточной жизни. Многие вирусы захватывают моторные белки, чтобы добраться до ядра для репликации.
Деление клеток осуществляется моторными белками, поэтому понимание их механики может иметь отношение к исследованиям рака. Некоторые заболевания двигательных нейронов также связаны с нарушением движения моторных белков.
Команда из Лидса, работающая в ведущем в мире Центре структурной молекулярной биологии Astbury, объединила очищенные микротрубочки с очищенными динеиновыми моторами и добавила химическое топливо АТФ (аденозинтрифосфат) для питания мотора.
Доктор Хироши Имаи, ныне доцент кафедры биологических наук Университета Тюо, Япония, проводил эксперименты во время работы в Университете Лидса.
Он объяснил: «Мы заставили динеины двигаться по их следам, а затем заморозили их« на полпути », охладив их со скоростью около миллиона градусов в секунду, достаточно быстро, чтобы вода не образовывала кристаллы льда по мере ее затвердевания.
Затем с помощью криоэлектронного микроскопа мы сделали тысячи изображений двигателей, пойманных во время шага. Объединив множество изображений отдельных двигателей, мы смогли сделать нашу картину динеина более четкой и составить динамическое представление о том, как он движется.
Это немного похоже на выяснение того, как раскачиваться по обезьяньей решетке, изучая фотографии многих людей, раскачивающихся на них."
Д-р Берджесс сказал: «Нашим самым поразительным открытием было наличие петли между длинной тонкой ножкой и« крюком для захвата », как запястье между человеческой рукой и кистью. Это позволяет изменять угол крепления двигателя к гусенице.
"Каждое из двух плеч моторного белка динеина составляет около 25 нанометров (0.000025 миллиметра) в длину, в то время как места крепления, к которым он прикрепляется, находятся на расстоянии всего 8 нанометров. Это означает, что динеин может достигать не только следующей ступени, но и следующей за ней, и следующей за ней, и, кажется, дает ему гибкость в том, как он перемещается по «дорожке»."
Динеин — не только самый большой, но и самый универсальный из моторных белков в живых клетках и, как все моторные белки, жизненно важен для жизни. Моторные белки транспортируют грузы и удерживают многие клеточные компоненты внутри клетки. Например, динеин отвечает за передачу сообщений от кончиков активных нервных клеток обратно в ядро, и эти сообщения поддерживают жизнь нервных клеток.
Соавтор Питер Найт, профессор молекулярной сократимости в Школе молекулярной и клеточной биологии Университета Лидса, сказал: «Если клетка похожа на город, они похожи на дальнобойщиков на ее автомобильных и железнодорожных сетях. Если бы у вас не было транспортной системы, у вас не было бы специализированных регионов. Каждая часть клетки будет делать одно и то же, и это будет означать, что у вас не может быть сложной жизни."
«Dynein — это универсальное транспортное средство сотового транспорта.
Другие моторные белки, называемые кинезинами и миозинами, намного меньше по размеру и выполняют определенные функции, но динеин может выполнять множество различных функций », — сказал профессор Найт.
Например, в мотонейроне, соединяющем центральную нервную систему с большим пальцем стопы, который представляет собой отдельную клетку длиной в метр, динеин обеспечивает транспортировку от пальца ноги обратно к ядру.
Еще одна жизненно важная роль — движение клеток.
Доктор Берджесс сказал: «Во время развития мозга нейроны должны ползать в своем правильном положении, а молекулы динеина в этом случае захватывают ядро и тянут его вместе с движущейся массой клетки.
Если бы они этого не сделали, ядро осталось бы, а цитоплазма расползлась бы."
В исследовании участвовали исследователи из Университета Лидса и японских университетов Васэда и Осака, а также Центра количественной биологии Японского исследовательского института Рикен и Японского агентства науки и технологий (JST).
Исследование финансировалось Программой Human Frontiers Science Program и Советом по исследованиям в области биотехнологии и биологических наук (BBSRC).
В исследовании использовались мощные электронные микроскопы в Центре структурной молекулярной биологии Astbury Университета Лидса.
С тех пор университет объявил ?17 миллионов инвестиций в ультрасовременное оборудование, которое позволит еще более внимательно наблюдать за жизнью внутри клеток. Новое оборудование включает в себя два электронных микроскопа (ЭМ) на 300 киловольт (кВ) и спектрометр ядерного магнитного резонанса 950 мегагерц (МГц) наряду с существующими ЭМ 120 кВ и 200 кВ, а также аппараты ЯМР на 500, 600 и 750 МГц.