允許活組織在一生中膨脹，收縮，伸展和彎曲的伸展性是稱為原彈性蛋白的蛋白質(zhì)分子的結(jié)果。值得注意的是，這種分子可以拉伸到其長度的八倍，并始終恢復(fù)到原來的大小。

現(xiàn)在，研究人員首次解碼了這種復(fù)雜分子的分子結(jié)構(gòu)，以及在各種遺傳驅(qū)動的疾病中其結(jié)構(gòu)可能出現(xiàn)問題的細節(jié)。

原彈性蛋白是彈性蛋白的前體分子，其與稱為微纖維的結(jié)構(gòu)一起是包括皮膚，肺和血管在內(nèi)的組織柔韌性的關(guān)鍵。但這種分子很復(fù)雜，依次由698個氨基酸組成，并充滿了無序區(qū)域，因此解開其結(jié)構(gòu)一直是科學(xué)的一大挑戰(zhàn)。

這一挑戰(zhàn)已由一組研究人員解決，他們使用分子建模和實驗觀察的組合來構(gòu)建分子結(jié)構(gòu)的原子圖。結(jié)果出現(xiàn)在美國國家科學(xué)院院刊上，由杰里邁克菲工程學(xué)教授兼麻省理工學(xué)院土木與環(huán)境工程系主任Markus Buehler撰寫。Anna Tarakanova博士'17，麻省理工學(xué)院博士后; 還有三個在悉尼大學(xué)和曼徹斯特大學(xué)。

“原彈性蛋白的結(jié)構(gòu)一直難以捉摸，”塔拉卡諾娃說。傳統(tǒng)的表征方法不足以解碼這種分子，“因為它非常大，無序且動態(tài)。” 但是，這個團隊使用的計算機建模和實驗觀察的結(jié)合“使我們能夠預(yù)測分子的完全原子結(jié)構(gòu)，”她說。

該研究顯示，控制原彈性蛋白形成的單基因中某些不同的致病突變?nèi)绾胃淖兎肿拥膭偠群蛣討B(tài)反應(yīng)，這最終有助于設(shè)計治療或?qū)@些病癥采取對策。研究人員誘導(dǎo)的其他“人工”突變與任何已知的天然突變不對應(yīng)，可用于更好地理解受該突變影響的基因特定部分的功能。

“我們有興趣探測分子的特定區(qū)域，以了解該區(qū)域的功能，”Tarakanova說。“除了賦予彈性外，該分子在細胞信號傳導(dǎo)和細胞粘附中起著關(guān)鍵作用，影響細胞過程，這些細胞過程是由與分子內(nèi)特定序列的相互作用驅(qū)動的。”

該研究還研究了由與已知疾病相關(guān)的突變引起的原彈性蛋白分子的特定變化，例如皮膚缺乏彈性并且松散地懸掛的皮膚松弛。“我們表明，與疾病相關(guān)的點突變會導(dǎo)致分子的變化產(chǎn)生影響 - 疾病的機制實際上源于[分子量表的變化]，”她說。

“理解這種分子的結(jié)構(gòu)不僅在疾病的背景下很重要，”Buehler說，“但也可以使我們將這種生物材料的知識轉(zhuǎn)化為合成聚合物，這種聚合物可以滿足某些工程需求。在所需屬性的背景下，有秩序和無序的平衡可能為新的設(shè)計師材料敞開大門。“

他們用于解開原彈性蛋白分子結(jié)構(gòu)的方法包括基于分子動力學(xué)建模和模擬的技術(shù)。雖然這種方法已用于研究更簡單的分子結(jié)構(gòu)，但她說，“這是我們第一次證明它可用于原彈性蛋白大小的高度無序分子，然后根據(jù)實驗數(shù)據(jù)進行驗證。”

該方法結(jié)合了“分子的全局結(jié)構(gòu)，考慮分子結(jié)構(gòu)必須適合的總體輪廓”。然后，他們詳細研究了分子內(nèi)的局部二級結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)是從實驗工作的科學(xué)文獻中的大量數(shù)據(jù)中挑選出來的。她說：“地方結(jié)構(gòu)與全球結(jié)構(gòu)的關(guān)系為我們提供了與實驗相比較的觀點”，驗證了他們的發(fā)現(xiàn)。

她補充道，他們使用的技術(shù)可用于理解其他大型復(fù)雜分子。“更一般地說，我認(rèn)為這種方法適用于高度無序的大分子 - 據(jù)估計，你體內(nèi)一半的蛋白質(zhì)含有高度無序的區(qū)域。這可能是一個非常強大的觀察框架在許多種[生物]系統(tǒng)中。“