Физическая модель геометрической фрустрации впервые обнаружена в мышцах позвоночных

Международная команда учёных впервые показала, что явление геометрической фрустрации из статистической физики наблюдается в нативной биологической системе — в мышцах позвоночных. Исследование опубликовано в Journal of The Royal Society Interface.

Суть открытия

  • Геометрическая фрустрация в физике возникает, когда минимально-энергетическое состояние системы может быть достигнуто множеством различных конфигураций (например, упаковка молекул воды во льду).
  • В поперечных срезах мышц миозиновые филаменты упакованы в треугольный массив и могут иметь одну из двух противоположных ориентаций ("вверх" или "вниз").
  • Узор этих ориентаций нерегулярен, но не полностью случаен — это миозиновый суперрешётка, впервые описанный в 1980-х.
  • Учёные установили, что распределение ориентаций миозиновых филаментов соответствует модели "треугольного антиферромагнетика Изинга" (TIA) — классической фрустрированной системе.
  • Модель предполагает, что соседние филаменты одинаковой ориентации "отталкиваются", стремясь к окружению филаментами противоположной ориентации. На треугольной решётке это приводит к фрустрации: если два соседа имеют разную ориентацию, третий не может выбрать ориентацию, оптимальную для обоих.

Значение для биологии мышц

  • Открытие помогает объяснить давние наблюдения за структурой мышц и может быть связано с разными механическими свойствами типов мышечных волокон.
  • Медленные, устойчивые к утомлению мышцы часто имеют простую решётку, где все миозиновые филаменты одинаково ориентированы.
  • Быстрые, утомляемые мышцы чаще связаны с неупорядоченной суперрешёткой.
  • Суперрешётка, возможно, позволяет более эффективно использовать актиновые сайты связывания головками миозина, что способствует большей силовой продукции быстрых волокон.

Перспективы

  • Модель TIA даёт более глубокое понимание источника неупорядоченности миозинового массива и позволяет количественно оценить энергетику взаимодействий.
  • Она также может помочь точнее интерпретировать данные рентгеновской дифракции для улучшения визуализации структуры мышц.
  • Проф. Рик Миллейн: "Необходимы дальнейшие исследования, чтобы определить влияние разных структур решётки на взаимодействие актина и миозина и поведение мышц".
  • Д-р Прадип Лютер: "Изучение неупорядоченных миозиновых массивов у большего числа видов может помочь понять эволюцию структуры мышечной суперрешётки".