חלבונים שולטים ברוב תפקודי הגוף, ולתפקוד לקוי שלהם עלולות להיות השלכות קשות, כמו מחלות ניווניות או סרטן. לכן, לתאים יש מנגנונים לשליטה באיכות החלבון. בתאים של בעלי חיים ובני אדם, מלווים בדרגת Hsp70 נמצאים בלב מערכת הבקרה הזו, המפקחים על מגוון רחב של תהליכים ביולוגיים. עם זאת, למרות תפקידם המכריע, המנגנון המולקולרי המדויק של מלווה Hsp70 נותר חמקמק במשך עשרות שנים. באמצעות טכניקת מולקולה בודדת ננופורית מתקדמת, צוות מאוניברסיטת ז'נבה (UNIGE), בשיתוף עם EPFL, עשה כעת פריצת דרך משמעותית בקביעת האופן שבו מלווים Hsp70 מייצרים את הכוח הדרוש כדי לתמרן את המבנה של חלבוני הלקוח שלהם. . תוצאות אלו, ששמות קץ לעשור של ויכוחים, מתפרסמות ב תקשורת טבע.
חלבונים צריכים להתקפל לצורות תלת מימדיות ספציפיות כדי לתפקד בצורה נכונה. בין מספר תפקידיהם, חלבוני מלווה כמו Hsp70s מסייעים בדרך כלל לקיפול נכון של חלבונים. כדי לבצע את המשימות הללו בהצלחה, Hsp70s צריכים לתמרן בכוח את מבנה החלבונים, לחלץ אותם מאגרגטים שנוצרו באופן ספונטני או על ידי הקלה בטרנסלוקציה של חלבון לתוך תאי מפתח, כגון מיטוכונדריה.
בהקשר זה, במהלך שנות ה-90 ותחילת שנות ה-2000, היה ויכוח אינטנסיבי לגבי המנגנון המאפשר לצ'פרונים של Hsp70 להניע את טרנסלוקציית החלבון, עם שני מודלים עיקריים שהוצעו על סמך קבוצות שונות של ניסויים, אך ללא תשובה מוחלטת. בשנת 2006 הוצעה תיאוריה חדשה, הנקראת Entropic Pulling, על ידי פרופ' פאולו דה לוס ריוס ב-EPFL ופרופ' פייר גולובינוף מאוניברסיטת לוזאן (UNIL) ושותפי הפעולה שלהם. משיכה אנטרופית יכולה להסביר את כל התצפיות הקיימות לטרנסלוקציה של חלבון למיטוכונדריה ויכולה להיות מיושמת גם על הפונקציות התאיות האחרות של Hsp70s, כגון פירוק חלבון.
עדות ניסויית
במהלך השנים, תיאוריה זו אפשרה את הפרשנות של מספר הולך וגדל של תוצאות, אך נותרה ללא אישור ניסוי ישיר. קבוצתו של צ'אן קאו, עוזר פרופסור חדש במחלקה לכימיה אנאורגנית ואנליטית בפקולטה למדעים של UNIGE, מתמחה בביואנליזה של מולקולה אחת, במיוחד זיהוי ננו-פוריים. גישה חדשנית זו כוללת קריאת תגובת הזרם היוני כמולקולה יחידה העוברת דרך נקבובית ננומטרית, שיכולה להיות מכלול חלבוני ביולוגי המוטבע בממברנה שומנית או חומר מוצק מפוברק. הפיתוח של טכנולוגיית ננופור שואפת ליצור חיישנים ברזולוציה גבוהה לאיתור מולקולות מטרה בתוך מטריצות מורכבות ולרישום ביופולימר.
בעבודה האחרונה הזו, הצוות מינף את טכנולוגיית ננופור כדי לחקות את ההגדרה in vivo של טרנסלוקציה של חלבון ברמת מולקולה אחת. פרופ' צ'אן קאו הסביר: "התוצאות שלנו מספקות ראיות ברורות למנגנון המשיכה האנטרופית של מדריכי Hsp70, שוללים את שני הדגמים האחרים שהוצעו בעבר, כלומר Power Stroke ו- Brownian Ratchet".
כוח חזק ברמה המולקולרית
במנגנון המשיכה האנטרופית, המלווה, על ידי משיכה בחלבון המטרה, מגדיל את טווח התנועה שלו, ויוצר מה שמכונה כוח אנטרופי. ורנה רוקס, סטודנטית לדוקטורט והמחברת המובילה של המחקר, מסבירה "הניתוח שלנו העריך את עוצמת המשיכה האנטרופית בכ-46 pN על פני מרחקים של 1 ננומטר, מה שמצביע על כוח חזק להפליא ברמה המולקולרית".
פרופ' פאולו דה לוס ריוס מהמכון לפיזיקה ומהמכון להנדסה ביולוגית ב-EPFL מסביר: "התיאוריה שלנו שהוצעה ב-2006 הייתה אחראית על רוב הפיזיקה של המערכת הכוללת Hsp70, החלבון הטרנסלוקציה ונקבובית הטרנסלוקציה, אבל בסופו של דבר. , זה נשאר בגדר תיאוריה, גם אם בהסכמה עקיפה עם רוב התצפיות. הודות לעבודה היפה של פרופ' צ'אן קאו והצוות שלה, יש לנו כעת הוכחה ישירה לכך, וזה הכי חשוב, הערכה כמותית של כוחה. , שמתגלה כגבוה להפליא, ומסביר עוד יותר מדוע Hsp70s כל כך יעילים בשינוי המבנה של חלבוני המטרה שלהם".
חשוב לציין, מחקר זה מבסס גישות ננופוריות כטכניקה רבת עוצמה של מולקולה אחת לחקר המנגנונים המולקולריים של פעולת חלבון.
