Osmolyt aus der Tiefsee findet Anwendung in molekularen Maschinen

Kinesin und Mikrotubuli (MTs) sind Hauptbestandteile des Zytoskeletts in Zellen lebender Organismen. Kinesin und Mikrotubuli spielen zusammen eine entscheidende Rolle bei einer Vielzahl von Zellfunktionen, insbesondere beim intrazellulären Transport. Jüngste Entwicklungen in der Biotechnik und Biotechnologie ermöglichen die Verwendung dieser natürlichen Moleküle als Komponenten von molekularen Maschinen und molekularen Robotern. In-vitro-Gleitassays waren die beste Plattform, um das Potenzial dieser Biomoleküle für molekulare Maschinen zu bewerten.

Ein Team von Wissenschaftlern unter der Leitung von Assistenzprofessor Arif Md. Rashedul Kabir von der Universität Hokkaido hat über eine einfache und unkomplizierte Methode zur reversiblen und dynamischen Kontrolle der Starrheit von Kinesin-angetriebenen MTs berichtet. Ihre Ergebnisse wurden in veröffentlicht ACS-Omegaeine von der American Chemical Society (ACS) herausgegebene Zeitschrift.

In einem In-vitro-Gleittest werden Kinesinmoleküle an ein Basismaterial gebunden und treiben MTs als molekulare Shuttles an. Die Starrheit der beweglichen MTs ist eine entscheidende Metrik, die den Erfolg ihrer Anwendungen als Komponente molekularer Maschinen bestimmt. Eine der größten Hürden bei der Regulierung der Steifigkeit von MTs besteht darin, dass frühere Methoden die Steifigkeit von MTs dauerhaft beeinträchtigten und irreversibel waren. Die Entwicklung eines Verfahrens zur reversiblen Steuerung der Steifigkeit von MTs würde eine dynamische Anpassung der MT-Eigenschaften und -Funktionen ermöglichen und wäre eine massive Entwicklung in molekularen Maschinen, molekularer Robotik und verwandten Gebieten.

Kabir und seine Kollegen verwendeten Trimethylamin-N-oxid (TMAO), ein Molekül, das in vielen Tiefseeorganismen als Osmolyt wirkt, um seine Auswirkungen auf MTs in einem In-vitro-Gleittest zu untersuchen. TMAO ist dafür bekannt, Proteine ​​unter stressigen oder denaturierenden Bedingungen von Hitze, Druck und Chemikalien zu stabilisieren. Das Team zeigte, dass TMAO die Steifigkeit von MTs beeinflusst, ohne dass Änderungen an MT-Strukturen erforderlich sind.

Bei relativ niedrigen TMAO-Konzentrationen (0 mM bis 200 mM) blieben die MTs gerade und starr, und die Bewegung der MTs im Gleittest war unbeeinflusst. Als die TMAO-Konzentration weiter erhöht wurde, zeigten die MTs ein Biegen oder Knicken und ihre Geschwindigkeit nahm ab. Das Team quantifizierte diese Wirkung von TMAO auf die Konformation des MT und zeigte, dass die Persistenzlänge, ein Maß für die Steifigkeit, von MTs in Abwesenheit von TMAO 285 ± 47 μm betrug und in Gegenwart von 1500 auf 37 ± 4 μm abnahm mM TMAO.

Das Team demonstrierte ferner, dass der Prozess vollständig reversibel war, wobei MTs ihre ursprüngliche Persistenzlänge und -geschwindigkeit wiedererlangten, wenn das TMAO eliminiert wurde. Diese Ergebnisse bestätigten, dass TMAO verwendet werden kann, um die mechanischen Eigenschaften und dynamischen Funktionen von MTs reversibel zu modulieren.

Schließlich hat das Team den Mechanismus untersucht, durch den TMAO die Starrheit von MTs verändert. Basierend auf ihren Untersuchungen kamen Dr. Arif Md. Rashedul Kabir und seine Teammitglieder zu dem Schluss, dass TMAO die Störung der Einheitlichkeit der Kraft vermittelt, die von den Kinesinen entlang MTs im Gleittest ausgeübt wird; die ungleichmäßige Kraft, die von den Kinesinen erzeugt wird, schien für die Änderung der Starrheit oder Persistenzlänge der Kinesin-angetriebenen MTs verantwortlich zu sein.

„Diese Studie hat eine einfache Methode zur reversiblen Regulierung der MT-Steifigkeit in einem In-vitro-Gleittest gezeigt, ohne dass Änderungen an den MT-Strukturen erforderlich sind“, sagte Kabir. Zukünftige Arbeiten werden sich auf die Aufklärung des genauen Wirkmechanismus von TMAO sowie auf die Nutzung von TMAO zur Steuerung der Eigenschaften und Funktionen von MTs und Kinesinen konzentrieren, was wiederum für die molekularen Maschinen und die molekulare Robotik von Vorteil sein wird.