Nieuw type wrijving ontdekt in ligand-eiwitsystemen

Een interdisciplinair onderzoeksteam van de Instituten voor Fysische Chemie en Natuurkunde van de Universiteit van Freiburg en het Max Planck Instituut voor Biofysica in Frankfurt-am-Main heeft een nieuwe, richtingsafhankelijke wrijving in eiwitten ontdekt die anisotrope wrijving wordt genoemd.

“Tot nu toe had niemand opgemerkt dat wrijving in biomoleculen afhankelijk was van richting”, zegt natuurkundige Dr. Steffen Wolf van de Universiteit van Freiburg. De resultaten zijn gepubliceerd in Nano-brieven.

Experimenten op modelcomplex van eiwit-liganden

Eiwitten vormen de microscopische machinerie van cellen. Ze voeren werk uit tijdens hun functionele cycli. Dienovereenkomstig volgen ze de wetten van de thermodynamica, vertonen ze een energieomzettingsefficiëntie en verliezen ze energie tijdens hun functionele cyclus als gevolg van dissipatie. Vanuit macroscopisch perspectief komt dit laatste effect overeen met schijnbare wrijving.

Op de microscopische schaal van afzonderlijke eiwitten is een bekende bron van wrijving interne wrijving van eiwitten die het gevolg is van de excitatie van eiwit-interne trillingen. Een andere bron is oplosmiddelwrijving, die ontstaat door de versnelling van omringende oplosmiddelmoleculen. Deze wrijvingsbronnen leiden tot verhitting van zowel eiwit als oplosmiddel. Hier ontdekten de onderzoekers het nieuwe type wrijving door experimenten en simulaties met één molecuul uit te voeren op een modelcomplex van een eiwit en een ligand.

In hun experimenten met één molecuul gebruikte het team een ​​nieuwe methode die stereografische krachtspectroscopie met één molecuul toepast, die is gebaseerd op atomaire krachtmicroscopie (AFM). Met deze techniek konden ze de ontbinding van een ligand van een aan een oppervlak gebonden eiwit bestuderen, niet alleen langs een enkele coördinaat, maar langs alle drie de Cartesiaanse coördinaten.

Tijdens hun experimenten maakten Dr. Wanhao Cai, Prof. Dr. Thorsten Hugel en Dr. Bizan N. Balzer van het Instituut voor Fysische Chemie van de Universiteit van Freiburg evenals Dr. Jakob T. Bullerjahn van het Max Planck Instituut, de verrassende ontdekking dat wrijving tijdens het losmaken van ligand toeneemt met de toegepaste trekhoek.

Combinatie van experiment en computersimulaties

Miriam Jäger en Dr. Steffen Wolf van het Institute of Physics van de Universiteit van Freiburg hebben vervolgens het experiment opnieuw gemaakt met behulp van computersimulaties. Ze gebruikten de High Performance Computing (HPC)-bronnen van de BinAC-HPC-Cluster in Tübingen. Tijdens de simulaties stelden ze vast dat het losmaken van een ligand van zijn bindingsplaats afhangt van de exacte richting waarin de trekkracht wordt uitgeoefend.

Door resultaten van het experiment en simulaties te combineren, erkenden de onderzoekers dat de bron van de hoekafhankelijke wrijving de ondefinieerbare en willekeurige oriëntatie is van de eiwitten langs hun rotatie-assen gebonden aan het oppervlak in het experiment. Het team herhaalde de experimenten met het trekken van een enkel molecuul door een ligand vele malen aan en van een eiwit te binden en los te maken om statistisch significante resultaten te bereiken.

Daar bindt het ligand voor elke meting aan een ander eiwit. Bijgevolg werd bij elke meting een ligand onder dezelfde hoek ten opzichte van het oppervlak getrokken, maar over verschillende gebieden van het willekeurig georiënteerde eiwit. Deze oriëntatie kan niet worden gedefinieerd, zowel in de experimentele opstelling als in de echte wereld, en elke meting kan niet exact en omkeerbaar worden herhaald. Daarom werden elke keer verschillende hoeveelheden energie in het biomolecuul gedeponeerd.

Het onomkeerbare deel van deze energie ging als warmte verloren aan het systeem. Het bijbehorende effect is een bron van wrijving, die de onderzoekers anisotrope wrijving noemen.

Een fundamenteel type wrijving

“We gaan ervan uit dat dit voorheen onbekende en fundamentele type wrijving aanwezig is in elke bioassemblage waarin willekeur in eiwitoriëntatie samen met directionaliteit van krachttoepassing optreedt”, zegt Dr. Bizan N. Balzer, een biofysicus. Hij legt uit dat dit het geval is bij biomoleculaire motoren of krachtgevoelige membraaneiwitten, maar ook bij processen als de bloedstroom, waarbij krachten worden uitgeoefend op willekeurig georiënteerde eiwitten.

Balzer concludeert: “Anisotrope wrijving is dus een ander belangrijk stukje van de puzzel voor het begrijpen van wrijving in zowel technische toepassingen als in biologische complexen in het algemeen.”