И гражданское строительство и подходы биоинженерии используются следователями в MIT и Университете Карнеги-Меллон, чтобы исследовать поведение белка, связанного с прогерией, редким нарушением в детях, заставляющим их стареть чрезвычайно быстро и обычно приводящим к смерти от сердечно-сосудистого заболевания перед возрастом 16. Прогерия отмечена потерей 50 аминокислот около конца ламина белок, помогающий поддержать ядерную мембрану клетки.
Результаты исследования издаются в сентябрьской проблеме Журнала Структурной Биологии.Используя молекулярное моделирование – который подчиняется законам физики в молекулярном масштабе – следователи создали точные точные копии здорового и видоизмененного ламина белок хвосты и надели их, чтобы моделировать поведение их под стрессом почти таким же способом, которым традиционный инженер-строитель мог бы оказать давление, чтобы проверить прочность луча.
Маркус Буехлер, преподаватель в Отделении MIT Гражданского строительства и Инженерной защиты окружающей среды, кто также изучает структурные белки, найденные в кости и коллагене, объяснил: «Применение технической механики понять процесс быстрой стареющей болезни может казаться странным, но это фактически имеет большой смысл». В этом новом расследовании Буехлер сотрудничал с Крисом Далем, преподавателем биомедицинской техники и химического машиностроения в Карнеги Меллоне, и аспирантах Чжао Цине из MIT и Агнешке Калиновски Карнеги Меллона.В его естественном состоянии белок (и его хвост) существует в свернутых конфигурациях комплекса, изменяющихся для каждого белкового типа. Несколько misfolded белков связаны с болезнями.
Цинь и Буехлер обнаружили в молекулярных моделированиях, что здоровый ламин белковый хвост объясняет последовательно вдоль его берега позвоночника, одна аминокислота за один раз.Цинь сказал:«Это вело себя очень, как будто я надел свободную нить на своей манжете рубашки и наблюдал, что она вытащила стежок стежком».
Когда потянули, белок мутанта сначала ломается почти в половине, отмечая большой промежуток около середины его структуры папок, и затем начинает разворачиваться в последовательности. Следователи MIT пришли к заключению, что дополнительные 70 килокалорий на родинку (единица энергии) необходимы, чтобы выправить хвосты мутанта, что означает, что белок мутанта фактически более стабилен, чем здоровые белки.
В Карнеги Меллоне Даль и Калиновский также исследовали эту тему путем подчинения ламина белок хвосты, чтобы нагреться, который заставляет белки денатурировать или разворачиваться. И как инженеры MIT они видели ту же структуру распутывания в здоровых и видоизмененных белках.
После, Цинь написал математическое уравнение, чтобы преобразовать температурный дифференциал, наблюдаемый в денатурации мутанта и здоровых белков (4,7 градуса по Фаренгейту) к единице энергии, обнаруженной в атомистических моделированиях, он нашел, что повышение температуры почти соответствовало увеличению энергии. Следователи говорят: «Это соглашение утверждает применение методологии гражданского строительства к исследованию видоизмененного белка в больных клетках».Однако инженерам-строителям, привыкшим к некорректным материалам, являющимся более слабым – не более сильный – чем их неослабленные коллеги, результаты были парадоксальны.Как компонент nucleoskeleton клетки, ламин игры важная роль в определении механических свойств ядерной мембраны клетки, которая должна остаться достаточно гибкой, чтобы легко выдержать деформацию.
В предшествующих исследованиях Даль видел, что ядерные мембраны, построенные из видоизмененных белков, становятся очень жесткими и хрупкими, который может объяснить измененную белковую ДНК и белок-белковые взаимодействия, замеченные в больных клетках.Буехлер объяснил:«Наше обнаружение удивления состоит в том, что дефектная структура мутанта фактически более стабильна и более плотно упакованная, чем здоровый белок.
Это противоречит нашей интуиции, что ‘дефектная’ структура менее стабильна и ломается более легко, который является тем, что инженеры ожидали бы в строительных материалах. Однако механикой белков управляют принципы наномеханики, которая может быть различной от нашего обычного понимания материалов в макро-масштабе».