Un team di biofisici dell'Università del Massachusetts Amherst e del Penn State College of Medicine si è proposto di affrontare l'annosa questione sulla natura della generazione di forza da parte della miosina, il motore molecolare responsabile della contrazione muscolare e di molti altri processi cellulari. La domanda chiave che hanno affrontato, uno degli argomenti più controversi nel campo, è stata:in che modo la miosina converte l'energia chimica, sotto forma di ATP, nel lavoro meccanico?

La risposta ha rivelato nuovi dettagli su come la miosina, il motore del muscolo e delle relative proteine ​​motorie, trasduce energia.

Alla fine, la loro ricerca senza precedenti, meticolosamente ripetuto con diversi controlli e ricontrollato, hanno sostenuto la loro ipotesi che gli eventi meccanici di un motore molecolare precedano, piuttosto che seguire, gli eventi biochimici, sfidando direttamente la visione di vecchia data secondo cui gli eventi biochimici bloccano l'evento generatore di forza. Il lavoro, pubblicato in Journal of Biological Chemistry , è stato selezionato come Editor's Pick per "fornire un contributo eccezionale al settore".

Completando esperimenti complementari per esaminare la miosina al livello più minuto, gli scienziati hanno utilizzato una combinazione di tecnologie:intrappolamento laser a singola molecola presso UMass Amherst e FRET (trasferimento di energia per risonanza di fluorescenza) presso Penn State e l'Università del Minnesota. Il team era guidato dal biofisico muscolare Edward "Ned" Debold, professore associato presso la UMass Amherst School of Public Health and Health Sciences; il biochimico Christopher Yengo, professore al Penn State College of Medicine; e il biofisico muscolare David Thomas, professore al College of Biological Sciences dell'Università del Minnesota.

"Questa è stata la prima volta che queste due tecniche all'avanguardia sono state combinate insieme per studiare un motore molecolare e rispondere a una domanda secolare, " Dice Debold. "Conosciamo da 50 anni l'ampia portata di come funzionano cose come i muscoli e i motori molecolari, ma non conoscevamo i dettagli di come ciò si verificasse al livello più minuto, i movimenti su scala nanometrica. È come se stessimo guardando sotto il cofano di un'auto ed esaminando come funziona il motore. Come prende il carburante e lo converte in lavoro quando si preme il pedale dell'acceleratore?"

Usando il suo test di trappola laser a singola molecola nel suo laboratorio, Debold e la sua squadra, compresi gli studenti laureati Brent Scott e Chris Marang, sono stati in grado di osservare direttamente la dimensione e la velocità dei movimenti meccanici su scala nanometrica della miosina mentre interagiva con un singolo filamento di actina, il suo partner molecolare nella generazione della forza. Hanno osservato che il passo che genera la forza, o colpo di forza, è successo molto velocemente, quasi non appena si è legato al filamento di actina.

In esperimenti paralleli utilizzando saggi FRET, Il team di Yengo ha confermato questa velocità elevata del colpo di forza e con ulteriori studi hanno dimostrato che i passaggi biochimici chiave sono avvenuti successivamente e molto più lentamente. Ulteriori analisi hanno rivelato per la prima volta come questi eventi potrebbero essere coordinati dai movimenti intramolecolari in profondità all'interno della molecola di miosina.

"Chris Yengo ha raccolto i suoi dati separatamente dai miei e abbiamo combinato e integrato i risultati, " Debold dice. "Potevo vedere cose che lui non poteva, e lui poteva vedere cose che io non potevo, e in combinazione siamo stati in grado di rivelare nuove intuizioni su come un motore molecolare trasduce energia. Era chiaro che la meccanica avveniva per prima, seguita dagli eventi biochimici".

Sottolineare l'importanza di esaminare la trasduzione di energia a livello di nanoscala ha implicazioni molto ampie, Debold spiega. "Non si tratta solo di come funzionano i muscoli, " dice. "È anche una finestra su quanti enzimi motori all'interno delle nostre cellule trasducono energia, da quelli che guidano la contrazione muscolare a quelli che causano la divisione di una cellula".

Una conoscenza dettagliata di questo processo potrebbe aiutare gli scienziati un giorno a sviluppare trattamenti per condizioni come l'insufficienza cardiaca, cancro e altro. "Se capisci come funziona il motore molecolare, potresti utilizzare tali informazioni per migliorare la funzione quando è compromessa, come nel caso di insufficienza cardiaca, "Dice Debold. "O se volevi impedire a una cellula tumorale di dividersi, potresti usare queste informazioni per prevenire la generazione di forza. Sapere esattamente come avviene la generazione della forza potrebbe essere molto utile per qualcuno che cerca di sviluppare un farmaco per inibire un motore molecolare durante la divisione cellulare, e infine il cancro".