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研究人员确定了使蛋白质能够记住和应对压力的特性

一个新的橡皮筋会拉伸,但随后会弹回原来的形状和大小。再次拉伸,效果相同。但是,如果橡皮筋是由一种能够记住它是如何拉伸的材料制成的呢?正如我们的骨骼会因撞击而增强,由这种材料制成的医疗植入物或假肢可以适应环境压力,例如在剧烈运动中遇到的压力。

芝加哥大学的一个研究小组现在正在探索一种在细胞中发现的材料的特性,这种材料使细胞能够记住和应对环境压力。在 2021 年 5 月 14 日发表在Soft Matter上的一篇论文中,他们揭开了它如何工作的秘密——以及它如何有朝一日成为制造有用材料的基础。

称为肌动蛋白丝的蛋白质链充当细胞内的骨骼,而称为交联剂的独立蛋白质家族将这些骨骼固定在一起形成细胞骨架。研究发现,交联剂的最佳浓度(结合和解离以允许肌动蛋白在压力下重新排列)使这种骨骼支架能够记住并响应过去的经验。这种物质记忆称为滞后。

“我们的研究结果表明,肌动蛋白网络的特性可以通过细丝的排列方式来改变,”物理系研究生 Danielle Scheff 说,他在 Margaret Gardel 的实验室进行了这项研究,Horace B. Horton 物理学教授和分子工程、詹姆斯弗兰克研究所和生物物理动力学研究所。“这种材料通过变得更坚固来适应压力。”

为了了解这种细胞支架的组成如何决定其滞后作用,Scheff 将含有肌动蛋白的缓冲液(从兔肌肉中分离出来)和交联剂(从细菌中分离出来)混合在一起。然后她使用一种称为流变仪的仪器对溶液施加压力。如果在一个方向上拉伸,交联剂允许肌动蛋白丝重新排列,在同一方向上加强抵抗随后的压力。

为了了解滞后如何取决于溶液的稠度,她将不同浓度的交联剂混合到缓冲液中。

令人惊讶的是,这些实验表明,在最佳交联剂浓度下滞后最为明显;当她添加更多交联剂时,溶液表现出更大的滞后性,但过了这个最佳点,效果再次变得不那么明显。

我记得我第一次绘制这种关系时在实验室,我认为一定是哪里出了问题,跑到流变仪前做更多的实验来仔细检查。”

为了更好地了解结构变化,加德尔和亚伦丁纳实验室生物物理科学研究生史蒂文雷德福,詹姆斯弗兰克研究所和生物物理动力学研究所化学教授,创建了蛋白质混合物 Scheff 的计算模拟在实验室生产。在这种计算再现中,雷德福对变量进行了比实验室更系统化的控制。通过改变肌动蛋白与其交联剂之间键的稳定性,雷德福表明,解除结合允许肌动蛋白丝在压力下重新排列,与施加的应变对齐,而结合则稳定了新的对齐,为组织提供了这种压力的“记忆”。总之,这些模拟表明蛋白质之间的非永久性连接会导致滞后。

“人们认为细胞非常复杂,有很多化学反馈。但这是一个精简的系统,你可以真正了解什么是可能的,”加德尔说。

该团队希望这些在与生物系统分离的材料中建立的发现能够推广到其他材料。例如,使用非永久性交联剂来结合聚合物细丝可以使它们像肌动蛋白细丝一样重新排列,从而产生具有滞后作用的合成材料。

“如果您了解天然材料如何适应,您就可以将其应用到合成材料上,”Dinner 说。

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