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Os pesquisadores identificam as propriedades que permitem proteínas de recordar e responder à pressão

Os estiramentos novos de um elástico, mas por outro lado agarram de novo em seus forma e tamanho originais. Esticado outra vez, faz o mesmos. Mas que se o elástico foi feito de um material que recordasse como tinha sido esticado? Apenas como nossos ossos reforce em resposta ao impacto, implantes médicos ou as próteses compor de tal material poderiam ajustar às pressões ambientais tais como aqueles encontrados no exercício árduo.

Uma equipa de investigação na Universidade de Chicago está explorando agora as propriedades de um material encontrado nas pilhas que permita que as pilhas recordem e respondam à pressão ambiental. Em um papel publicado o 14 de maio de 2021 na matéria macia, amolaram para fora segredos para como trabalha--e como poderia um dia formar a base para fazer materiais úteis.

As costas da proteína, chamadas filamentos do actínio, actuam como os ossos dentro de uma pilha, e uma família separada das proteínas chamou a posse dos cruz-linkers estes ossos junto em um esqueleto celular. O estudo encontrou que uma concentração óptima de cruz-linkers, que ligam e se desatam para permitir o actínio rearranjar sob a pressão, permite que este andaime esqueletal recorde e responda à experiência anterior. Esta memória material é chamada histerese.

“Nossos resultados mostram que as propriedades de redes do actínio podem ser mudadas por como os filamentos são alinhados,” disseram Danielle Scheff, um aluno diplomado no departamento de física que conduziu a pesquisa no laboratório de Margaret Gardel, Horace B. Horton professor da física e engenharia molecular, instituto de James Franck, e instituto da dinâmica biofísica. “O material adapta-se ao esforço tornando-se mais forte.”

Para compreender como a composição deste andaime celular determina sua histerese, Scheff misturou acima um amortecedor que contêm o actínio, isolado do músculo do coelho, e os cruz-linkers, isolados das bactérias. Aplicou então a pressão à solução, usando um instrumento chamado um rheometer. Se esticado em um sentido, os cruz-linkers permitiram que os filamentos do actínio rearranjassem, reforçando contra a pressão subseqüente no mesmo sentido.

Para ver como a histerese dependeu da consistência da solução, misturou concentrações diferentes de cruz-linkers no amortecedor.

Surpreendentemente, estas experiências indicaram que a histerese era a mais pronunciada em uma concentração óptima do cruz-linker; as soluções exibidas aumentaram a histerese enquanto adicionou mais cruz-linkers, mas após este ponto óptimo, o efeito tornou-se outra vez menos pronunciado.

Eu recordo estar no laboratório a primeira vez que eu tracei que o relacionamento e o pensamento de algo devem ser errados, corredor para baixo ao rheometer fazer mais experiências para verificar novamente.”

Danielle Scheff, aluno diplomado

Para compreender melhor as mudanças estruturais, Steven Redford, um aluno diplomado em ciências biofísicas nos laboratórios de Gardel e de comensal de Aaron, o professor da química, o instituto de James Franck, e o instituto para a dinâmica biofísica, criaram uma simulação computacional da mistura Scheff da proteína produzido no laboratório. Nesta capitulação computacional, Redford wielded um controle mais sistemático sobre variáveis do que possíveis no laboratório. Variando a estabilidade das ligações entre o actínio e os seus cruz-linkers, Redford mostrou que se desatar permite que os filamentos do actínio rearranjem sob a pressão, alinhando com a tensão aplicada, quando ligar estabilizar o alinhamento novo, fornecendo o tecido uma “memória” desta pressão. Junto, estas simulações demonstraram que as conexões impermanentes entre as proteínas permitem a histerese.

Os “povos pensam das pilhas como muito complicado, com muito feedback químico. Mas este é um sistema despido onde você possa realmente compreender o que é possível,” diga Gardel.

A equipe espera estes resultados, estabelecidos em um material isolado dos sistemas biológicos, para generalizar a outros materiais. Por exemplo, usar cruz-linkers impermanentes para ligar filamentos do polímero poderia permitir que rearranjem como os filamentos do actínio fazem, e produzam assim os materiais sintéticos capazes da histerese.

“Se você compreende como os materiais naturais se adaptam, você pode transferi-la aos materiais sintéticos,” disse o comensal.

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.