Projekt: Komplexa mekanismer bakom aktiva musklers motstånd mot utsträckning

Mer om projektet

De proteiner, myosin och trådformigt aktin, som orsakar sammandragning av hjärta och kroppsmuskler (skelettmuskler) är motorer i molekylstorlek (molekylmotorer) som använder cell bränslet ATP för att utföra livsviktiga funktioner. Att musklerna fungerar så bra och är så väl anpassade till olika uppgifter återspeglas i att de finns hos exempelvis maneter och där fungerar på liknande sätt som hos oss. Alltså har funktionen inte ändrats nämnvärt av evolutionen under mer än 500 miljoner år.

Det är fascinerande att muskelfunktionen tycks anpassas till den vikt som lyfts, ungefär som när olika växlar effektiviserar arbetet hos en motor. Speciellt har muskelceller en enastående förmåga att motstå utsträckning under aktivitet. Denna egenskap är minst lika viktig som förmågan till effektiv förkortning. Det är emellertid mycket mindre känt vilka finesser i musklers uppbyggnad och funktion på molekylnivå som ligger till grund för motståndet mot sträckning. Att klargöra detta är projektets huvudsyfte.

För att undersöka olika faktorers betydelse kommer vi att studera isolerade molekyler av myosin och aktin med hjälp av ett nyutvecklat experimentellt system med avancerad optik och metoder från nanoteknologin (som studerar 1-100 nm stora objekt; 1 nm=1/1000 000 mm). Vi kommer härvid att bygga på våra tidigare omfattande erfarenheter av studier på isolerade proteiner.

Specifikt avser vi studera den kraft som utvecklas av små grupper av myosin-molekyler som fastsatts på ytan av en apparat som påtvingar längdändringar på ytan med myosinmolekyler när dessa håller tag i aktin i närvaro ATP. Genom att hålla fast aktintrådarna på nanoteknologi-fabricerade hävarmar kan vi, i mikroskop, mäta kraften utifrån hävarmens böjning samtidigt som längdändringar, motsvarande sträckning av en muskel, påtvingas. En av fördelarna med isolerade proteiner, jämfört med studier av muskelceller som sträcks är att vi kan ändra den kemiska miljön runt proteinerna som vi önskar.

Dessutom avser vi att genetiskt modifiera myosin för studier där funktionen ändrats genom att en viss kritisk aminosyra (proteinbyggsten) bytts ut. Vi kommer också modifiera myosin genom att biokemiskt klyva av delar för att undersöka i vilken grad samverkan mellan olika delar av molekylen är viktig för funktionen.

Förutom mätning av kraft kommer vi att mäta omsättningen av ATP med avändande av ATPmolekyler som gjorts självlysande men som myosin använder som bränsle på samma sätt som vanligt ATP. Vi har också utvecklat en mikroskopimetod som är tillräckligt känslig för att avbilda enstaka ATP-molekyler enbart när molekylen sitter fast på myosin. Därigenom kan vi t ex undersöka om en myosinmolekyl upprepade gånger binder till aktin utan att använda en ny ATP-molekyl. Detta är en av de hypoteser vi avser testa för hur muskeln effektivt motstår utsträckning. Metoden att observera självlysande ATP avser vi förbättra med speciella vågledarmetoder från nanoteknologin som gör det möjligt att extrahera ännu mer information från experimenten.

Studierna avses kombineras med matematiska modeller och studier på mer välordnade system i form av myofibriller från muskel.
Viktiga frågor som motiverar oss, förutom nyfikenheten över varför muskler fungerar så bra, är:

1. Hur skulle en perfekt mekanisk eller elektrisk motor kunna tillverkas med inspiration från muskel?
2. Kan förändringar i förmågan att motstå utsträckning ha betydelse för allvarliga sjukdomar i hjärta och skelettmuskel (till exempel viktigaste orsaken till plötslig hjärtdöd hos unga) och, i så fall, hur skulle läkemedel kunna motverka dessa sjukdomar?

De metoder som utvecklas är allmänt användbara för studier av en rad andra biologiska molekyler. De miniatyriserade experimentella systemen med liten material- och energiåtgång och metoder för att återanvända testsystem är viktiga ur ett hållbarhetsperspektiv. Miniatyriseringen samt användning av odlade celler och matematiska modeller är också en god grund för minskning och, så småningom, ersättning av djurförsök.

Projektet är en del av forskningen i forskargruppen The Molecular motor and bionano-group

Bild från RCSB PDB (rcsb.org) of PDB ID 2OTG (Yang, Y., Gourinath, S., Kovacs, M., Nyitray, L., Reutzel, R., Himmel, D.M., O'Neall-Hennessey, E., Reshetnikova, L., Szent-Gyorgyi, A.G., Brown, J.H., Cohen, C. (2007) Rigor-like Structures from Muscle Myosins Reveal Key Mechanical Elements in the Transduction Pathways of This Allosteric Motor.