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I ricercatori identificano i beni che permettono alle proteine di ricordarsi e rispondere a pressione

Allungamenti i nuovi di un elastico, ma d'altra parte si rompe nuovamente dentro la sue forma e dimensione originali. Allungato ancora, fa lo stessi. Ma che cosa se l'elastico fosse fatto di un materiale che si è ricordato come era stato allungato? Appena come nostre ossa rinforzi in risposta ad impatto, innesti medici o la protesi composta di tal materiale potrebbe regolare alle pressioni ambientali come quelli incontrati nell'esercizio gravoso.

Un gruppo di ricerca all'università di Chicago ora sta esplorando i beni di un materiale trovato in celle che permette che le celle si ricordino e rispondano a pressione ambientale. In un documento pubblicato il 14 maggio 2021 nella materia molle, hanno preso in giro fuori i segreti per come funziona--e come potrebbe qualche giorno costituire la base per la fabbricazione dei materiali utili.

I fili della proteina, chiamati filamenti dell'actina, fungono da ossa all'interno di una cella e una famiglia separata delle proteine ha chiamato la tenuta dei inter-linker queste ossa insieme in uno scheletro cellulare. Lo studio ha trovato che una concentrazione ottimale di inter-linker, che legano e sciolgono per permettere l'actina di riorganizzare sotto pressione, permette che questa armatura scheletrica si ricordi e risponda ad esperienza precedente. Questa memoria materiale è chiamata isteresi.

“I nostri risultati indicano che i beni delle reti dell'actina possono essere cambiati da come i filamenti sono stati allineati,„ hanno detto Danielle Scheff, un dottorando nel dipartimento di fisica che ha condotto la ricerca nel laboratorio di Margaret Gardel, Orazio B. Horton professore di fisica ed assistenza tecnica molecolare, l'istituto di James Franck e l'istituto della dinamica biofisica. “Il materiale si adatta allo sforzo diventando più forte.„

Per capire come la composizione di questa armatura cellulare determina la sua isteresi, Scheff ha confuso un buffer che contiene l'actina, isolata dal muscolo del coniglio e dai inter-linker, isolati dai batteri. Poi ha applicato la pressione alla soluzione, facendo uso di uno strumento chiamato un reometro. Se allungato in una direzione, i inter-linker hanno permesso che i filamenti dell'actina riorganizzassero, rinforzando contro la pressione successiva nella stessa direzione.

per vedere come l'isteresi dipendeva dalla consistenza della soluzione, lei concentrazioni differenti miste di inter-linker nel buffer.

Sorprendente, questi esperimenti hanno indicato che l'isteresi era più pronunciata ad una concentrazione ottimale nel inter-linker; le soluzioni esibite hanno aumentato l'isteresi mentre ha aggiunto più inter-linker, ma dopo questo punto ottimale, l'effetto è diventato ancora meno pronunciato.

Mi ricordo essere nel laboratorio la prima volta ho tracciato che la relazione e pensare qualcosa devono essere sbagliati, funzionamento giù al reometro fare più esperimenti per controllare due volte.„

Danielle Scheff, dottorando

Per capire meglio i mutamenti strutturali, Steven Redford, un dottorando nelle scienze biofisiche nei laboratori di Gardel e del pranzo di Aaron, professore di chimica, l'istituto di James Franck e l'istituto per la dinamica biofisica, hanno creato una simulazione di calcolo della miscela Scheff della proteina prodotto in laboratorio. In questa resa di calcolo, Redford ha maneggiato un controllo più sistematico sopra le variabili che possibili in laboratorio. Variando la stabilità delle obbligazioni fra l'actina ed i sui inter-linker, Redford ha indicato che sciogliere permette che i filamenti dell'actina riorganizzino sotto pressione, allineando con lo sforzo applicato, mentre legare stabilizza il nuovo allineamento, fornente il tessuto “una memoria„ di questa pressione. Insieme, queste simulazioni hanno dimostrato che le connessioni transitorie fra le proteine permettono all'isteresi.

“La gente pensa alle celle come molto complicato, con molto feedback chimico. Ma questo è un sistema reso essenziale in cui potete realmente capire che cosa è possibile,„ avete detto Gardel.

Il gruppo prevede questi risultati, stabiliti in un materiale isolato dai sistemi biologici, per generalizzare ad altri materiali. Per esempio, facendo uso dei inter-linker transitori legare i filamenti del polimero potrebbe permetterli di riorganizzare come i filamenti dell'actina fanno e di produrre così i materiali sintetici capaci di isteresi.

“Se capite come i materiali naturali si adattano, potete portarlo più ai materiali sintetici,„ ha detto il pranzo.

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.