Une équipe de biophysiciens de l'Université du Massachusetts Amherst et du Penn State College of Medicine a entrepris de s'attaquer à la question de longue date sur la nature de la génération de force par la myosine, le moteur moléculaire responsable de la contraction musculaire et de nombreux autres processus cellulaires. La question clé qu'ils ont abordée - l'un des sujets les plus controversés dans le domaine - était :comment la myosine convertit-elle l'énergie chimique, sous forme d'ATP, dans le travail mécanique?

La réponse a révélé de nouveaux détails sur la façon dont la myosine, le moteur du muscle et des protéines motrices associées, transduit l'énergie.

À la fin, leurs recherches sans précédent, méticuleusement répété avec différents contrôles et revérifiés, ont soutenu leur hypothèse que les événements mécaniques d'un moteur moléculaire précèdent - plutôt que de suivre - les événements biochimiques, remettant directement en cause la vision de longue date selon laquelle les événements biochimiques ouvrent la porte à l'événement générateur de force. L'oeuvre, publié dans le Journal de chimie biologique , a été sélectionné comme choix de l'éditeur pour « avoir apporté une contribution exceptionnelle au domaine ».

Compléter des expériences complémentaires pour examiner la myosine au niveau le plus infime, les scientifiques ont utilisé une combinaison de technologies :piégeage laser à molécule unique à UMass Amherst et FRET (transfert d'énergie par résonance de fluorescence) à Penn State et à l'Université du Minnesota. L'équipe était dirigée par le biophysicien musculaire Edward "Ned" Debold, professeur agrégé à la UMass Amherst School of Public Health and Health Sciences; le biochimiste Christopher Yengo, professeur au Penn State College of Medicine; et le biophysicien musculaire David Thomas, professeur au Collège des sciences biologiques de l'Université du Minnesota.

"C'était la première fois que ces deux techniques de pointe étaient combinées pour étudier un moteur moléculaire et répondre à une question séculaire, " Dit Debold. " Cela fait 50 ans que nous connaissons le large éventail de fonctionnement de choses comme les moteurs musculaires et moléculaires, mais nous ne connaissions pas les détails de la façon dont cela se produit au niveau le plus infime, les mouvements à l'échelle nanométrique. C'est comme si nous regardions sous le capot d'une voiture et examinions le fonctionnement du moteur. Comment prend-il le carburant et le convertit-il en travail lorsque vous appuyez sur la pédale d'accélérateur ?"

En utilisant son test de piège laser à molécule unique dans son laboratoire, Debold et son équipe, dont les étudiants diplômés Brent Scott et Chris Marang, ont pu observer directement la taille et la vitesse des mouvements mécaniques à l'échelle nanométrique de la myosine lorsqu'elle interagissait avec un seul filament d'actine, son partenaire moléculaire dans la génération de force. Ils ont observé que l'étape de génération de force, ou powerstroke, s'est passé extrêmement vite, presque aussitôt qu'il s'est lié au filament d'actine.

Dans des expériences parallèles utilisant des tests de FRET, L'équipe de Yengo a confirmé ce rythme rapide de la puissance et, avec des études supplémentaires, a démontré que les étapes biochimiques clés se produisaient par la suite et beaucoup plus lentement. Une analyse plus approfondie a révélé pour la première fois comment ces événements pourraient être coordonnés par les mouvements intramoléculaires profondément à l'intérieur de la molécule de myosine.

"Chris Yengo a collecté ses données séparément des miennes et nous avons combiné et intégré les résultats, " Debold dit. "Je pouvais voir des choses qu'il ne pouvait pas, et il pouvait voir des choses que je ne pouvais pas, et en combinaison, nous avons pu révéler de nouvelles informations sur la façon dont un moteur moléculaire transduit l'énergie. Il était clair que la mécanique s'est produite en premier, suivie par les événements biochimiques."

Souligner l'importance d'examiner la transduction de l'énergie à l'échelle nanométrique a des implications très larges, Debold explique. "Il ne s'agit pas seulement de la façon dont les muscles fonctionnent, " dit-il. " C'est aussi une fenêtre sur le nombre d'enzymes motrices dans nos cellules qui transduisent l'énergie, de ceux qui entraînent la contraction musculaire à ceux qui provoquent la division d'une cellule."

Des connaissances détaillées sur ce processus pourraient un jour aider les scientifiques à développer des traitements pour des affections telles que l'insuffisance cardiaque, cancer et plus encore. "Si vous comprenez comment fonctionne le moteur moléculaire, vous pouvez utiliser ces informations pour améliorer le fonctionnement lorsqu'elles sont compromises, comme en cas d'insuffisance cardiaque, " dit Debold. " Ou si vous vouliez empêcher une cellule tumorale de se diviser, vous pouvez utiliser ces informations pour empêcher la génération de force. Savoir exactement comment se produit la génération de force pourrait être très utile pour quelqu'un qui essaie de développer un médicament pour inhiber un moteur moléculaire pendant la division cellulaire, et finalement le cancer."