L'elasticità che consente ai tessuti viventi di espandersi, contrarre, allungare, e piegarsi per tutta la vita è il risultato di una molecola proteica chiamata tropoelastina. Sorprendentemente, questa molecola può essere allungata fino a otto volte la sua lunghezza e ritorna sempre alla sua dimensione originale.

Ora, per la prima volta, i ricercatori hanno decodificato la struttura molecolare di questa complessa molecola, così come i dettagli di cosa può andare storto con la sua struttura in varie malattie geneticamente guidate.

La tropoelastina è la molecola precursore dell'elastina, che insieme a strutture chiamate microfibrille è la chiave per la flessibilità dei tessuti compresa la pelle, polmoni, e vasi sanguigni. Ma la molecola è complessa, composto da 698 amminoacidi in sequenza e riempito con regioni disordinate, così svelare la sua struttura è stata una grande sfida per la scienza.

Questa sfida è stata risolta da un team di ricercatori che ha utilizzato una combinazione di modellistica molecolare e osservazione sperimentale per costruire un'immagine atomo per atomo della struttura della molecola. I risultati appaiono questa settimana nel Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze in un articolo di Markus Buehler, il Jerry McAfee Professor in Engineering e capo del Dipartimento di Ingegneria Civile e Ambientale del MIT; Anna Tarakanova Ph.D. '17, un postdottorato al MIT; e altri tre presso l'Università di Sydney e l'Università di Manchester.

"La struttura della tropoelastina è stata sfuggente, " dice Tarakanova. I metodi di caratterizzazione tradizionali sono insufficienti per decodificare questa molecola "perché è molto grande, disordinato, e dinamico". " lei dice.

Lo studio ha mostrato come alcune diverse mutazioni che causano malattie nel singolo gene che controlla la formazione della tropoelastina modificano la rigidità della molecola e le risposte dinamiche, che potrebbe in definitiva aiutare nella progettazione di trattamenti o contromisure per queste condizioni. Altre mutazioni "artificiali" indotte dai ricercatori, che non corrispondono ad alcuna mutazione naturale nota, può essere utilizzato per comprendere meglio la funzione della parte specifica del gene interessata da quella mutazione.

"Siamo interessati a sondare una particolare regione della molecola per capire la funzione di quella regione, " dice Tarakanova. "Oltre a conferire elasticità, la molecola svolge un ruolo chiave nella segnalazione cellulare e nell'adesione cellulare, che influenzano i processi cellulari che sono guidati da interazioni con sequenze specifiche all'interno della molecola."

Lo studio ha anche esaminato i cambiamenti specifici nella molecola della tropoelastina causati da mutazioni associate a malattie note, come cutis laxa, in cui la pelle manca di elasticità e pende liberamente. "Mostriamo che una mutazione puntiforme associata alla malattia provoca cambiamenti nella molecola che hanno implicazioni:il meccanismo della malattia deriva in realtà dai [cambiamenti sulla] scala molecolare, " lei dice.

"Comprendere la struttura di questa molecola non è importante solo nel contesto della malattia, "dice Buehler, "ma può anche consentirci di tradurre le conoscenze da questo biomateriale a polimeri sintetici, che può essere progettato per soddisfare determinate esigenze ingegneristiche. Progettare l'equilibrio tra ordine e disordine nel contesto delle proprietà desiderate potrebbe aprire le porte a nuovi materiali di design".

Il metodo utilizzato per svelare la struttura della molecola della tropoelastina includeva una tecnica basata sulla modellazione e simulazione della dinamica molecolare. Sebbene tale approccio sia stato utilizzato per studiare strutture molecolari più semplici, lei dice, "questo è il primo lavoro in cui abbiamo dimostrato che può essere utilizzato per una molecola altamente disordinata delle dimensioni della tropoelastina, e poi convalidato contro dati sperimentali."

L'approccio combina guardando "la struttura globale della molecola, considerare lo schema generale" in cui la struttura molecolare deve adattarsi. Quindi, guardano in dettaglio a locale, strutture secondarie all'interno della molecola, che sono stati selezionati da grandi quantità di dati nella letteratura scientifica dal lavoro sperimentale. "Il rapporto tra la struttura locale e la struttura globale ci offre un punto di confronto con gli esperimenti" che convalida le loro scoperte, lei dice.

Le tecniche che hanno usato potrebbero essere applicate alla comprensione di altri grandi, molecole complesse, aggiunge. "Più generalmente, Penso che questo approccio sia applicabile a grandi molecole con un alto grado di disordine e, secondo alcune stime, metà delle proteine ​​nel tuo corpo contengono regioni con un alto grado di disordine. Questo può essere un quadro molto potente per esaminare molti tipi di sistemi [biologici]."