Впервые визуализировано движение миозина на уровне одной молекулы

Молекулярные биологи из RIKEN впервые напрямую визуализировали движение критически важного моторного белка на уровне одной молекулы. Это достижение может помочь в поиске новых методов лечения заболеваний, связанных с нарушением работы миозина.

Мышцы сокращаются за счёт скольжения толстых филаментов миозина и тонких филаментов актина. Однако долгое время существовала дискуссия о динамике этой молекулярной машины. Учёные спорили, движется ли миозин по актину, как храповой механизм, или последовательно шагает вперёд серией рабочих ходов.

Чтобы разрешить этот вопрос, команда под руководством Мицухиро Иваки из Центра динамических исследований биосистем RIKEN наблюдала за отдельными молекулами миозина в действии. Для этого они собрали нити ДНК в пучки верёвкообразных волокон, создав стержни, напоминающие толстые филаменты мышечной ткани. Затем исследователи прикрепили белки миозина вдоль ДНК-структур в определённых позициях и, используя передовые методы визуализации, получили изображения атомного масштаба взаимодействия миозина с белком-партнёром актином в биологически реалистичных геометрических условиях.

Команда показала с микросекундным разрешением, что головка миозина сначала слабо связывается с актином. Однако эта связь усиливается по мере движения миозина вдоль актинового филамента и нахождения позиции для генерации максимальной силы. Оказавшись на месте, рычаг под головкой миозина совершает качание в два этапа, вызывая гребкообразный ход, который обеспечивает сокращение мышцы. Это движение гибкое и обратимое, что позволяет множеству молекул миозина работать согласованно и эффективно.

Эта демонстрация того, как миозин движется, вызывая сокращение мышц, показывает, что оба предложенных механизма — «храповой» и «рабочий ход» — работают совместно.

По словам Иваки, передовая методика визуализации его команды, использующая 3D-ДНК-оригами и высокоскоростную атомно-силовую микроскопию, теперь предлагает платформу для лучшего понимания, почему мутантные формы миозина могут вызывать формы сердечной недостаточности, при которых сердечная мышца утолщается, затрудняя перекачивание крови. Такая информация должна помочь фармацевтическим компаниям в поиске соединений, способных заставить неисправный миозин в сердце работать правильно.

«Поскольку наша новая тестовая система может визуализировать основные механические процессы миозина, мы можем точно изучить влияние кандидатов в лекарства на его функцию, — говорит Иваки. — Таким образом, мы можем внести вклад в развитие подходов прецизионной медицины для лечения болезней сердца».