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Les chercheurs recensent les propriétés qui permettent à des protéines de rappeler et répondre à la pression

Un élastique neuf s'étire, mais d'autre part est enclenché de nouveau dans sa taille et forme originelle. Étiré de nouveau, elle fait la même chose. Mais ce qui si l'élastique était effectué d'un matériau qui a rappelé comment il avait été étiré ? Juste comme nos os renforcent en réponse au choc, les implants médicaux ou la prosthétique composés d'un tel matériau pourraient régler sur des pressions environnementales comme ceux produits dans l'exercice tendu.

Une équipe de recherche à l'Université de Chicago explore maintenant les propriétés d'un matériau trouvé en cellules qui permet à des cellules de rappeler et répondre à la pression environnementale. Dans un publié de papier le 14 mai 2021 dans la question molle, elles ont taquiné à l'extérieur des secrets pour la façon dont cela fonctionne--et comment il pourrait un jour former la base pour effectuer les matériaux utiles.

Les boucles de protéine, filaments appelés d'actine, agissent en tant qu'os dans une cellule, et famille indépendante de prise appelée d'éditeurs absolus de protéines ces os ensemble dans un squelette cellulaire. L'étude a constaté qu'une concentration optimale des éditeurs absolus, qui grippent et défont pour permettre à l'actine de permuter sous pression, permettent à cet échafaudage squelettique de rappeler et répondre à l'expérience passée. Cette mémoire matérielle est hystérésis appelée.

« Nos découvertes prouvent que les propriétés des réseaux d'actine peuvent être changées par la façon dont des filaments sont alignés, » ont dit Danielle Scheff, un étudiant de troisième cycle au département de physique qui a conduit la recherche dans le laboratoire de Margaret Gardel, Horace B. Horton professeur de la physique et le bureau d'études moléculaire, l'institut de James Franck, et l'institut de la dynamique biophysique. « Le matériau s'adapte à la tension en devenant plus intense. »

Pour comprendre comment la composition de cet échafaudage cellulaire détermine son hystérésis, Scheff a mélangé un tampon contenant l'actine, d'isolement dans le muscle de lapin, et des éditeurs absolus, d'isolement dans des bactéries. Il s'est alors appliqué la pression à la solution, utilisant un instrument appelé un rhéomètre. Si étiré dans un sens, les éditeurs absolus ont permis aux filaments d'actine de permuter, renforçant contre la pression suivante dans le même sens.

Pour voir comment l'hystérésis a dépendu de la régularité de la solution, il a mélangé différentes concentrations des éditeurs absolus dans le tampon.

Étonnant, ces expériences ont indiqué que l'hystérésis était la plus prononcée à une concentration optimale d'éditeur absolu ; les solutions montrées ont augmenté l'hystérésis pendant qu'il ajoutait plus d'éditeurs absolus, mais à travers cette remarque optimale, l'effet est de nouveau devenu moins prononcé.

Je rappelle d'être dans le laboratoire la première fois que j'ai tracé que la relation et penser quelque chose doivent être erronées, fonctionnement vers le bas au rhéomètre pour faire plus d'expériences pour revérifier. »

Danielle Scheff, étudiant de troisième cycle

Pour comprendre mieux les modifications de structure, Steven Redford, un étudiant de troisième cycle dans les sciences biophysiques dans les laboratoires de Gardel et de dîner d'Aaron, le professeur de la chimie, l'institut de James Franck, et l'institut pour la dynamique biophysique, ont produit une simulation de calcul du mélange Scheff de protéine produit dans le laboratoire. Dans cette interprétation de calcul, Redford a utilisé un contrôle plus systématique des variables que possibles dans le laboratoire. En variant la stabilité des obligations entre l'actine et ses éditeurs absolus, Redford a prouvé que défaire permet à des filaments d'actine de permuter sous pression, alignant avec la tension appliquée, alors que gripper stabilise le cadrage neuf, fournissant le tissu une « mémoire » de cette pression. Ensemble, ces simulations ont expliqué que les liens impermanents entre les protéines activent l'hystérésis.

Les « gens pensent aux cellules comme très compliqué, avec beaucoup de contrôle par retour de l'information chimique. Mais c'est un système épuré où vous pouvez réellement comprendre ce qu'est possible, » avez dit Gardel.

L'équipe s'attend à des ces découvertes, déterminées dans un matériau d'isolement dans des systèmes biologiques, pour généraliser à d'autres matériaux. Par exemple, utilisant les éditeurs absolus impermanents gripper des filaments de polymère pourrait leur permettre de permuter comme le font les filaments d'actine, et de produire ainsi les matériaux synthétiques capables de l'hystérésis.

« Si vous comprenez comment les matériaux naturels s'adaptent, vous pouvez le reporter aux matériaux synthétiques, » a dit le dîner.

Source:
Journal reference:

Scheff, D.R., et al. (2021) Actin filament alignment causes mechanical hysteresis in cross-linked networks. Soft Matter. doi.org/10.1039/d1sm00412c.