Транспорт веществ в клетках
Все клетки нуждаются в транспорте веществ для поддержания своей функции. В нервных клетках за это отвечает крошечный мотор, состоящий из белка под названием KIF1A. Мутации в этом белке могут привести к неврологическим расстройствам, включая трудности при ходьбе, интеллектуальные нарушения и деградацию нервов. Известно, что мутации в KIF1A также приводят к ослаблению моторной функции, но до сих пор это было трудно измерить.
Исследование
Исследователи из Токийского университета и Национального института информационных и коммуникационных технологий (NICT) в Японии измерили изменения в силе KIF1A с помощью нанопружины — крошечной спиральной структуры из ДНК. Это может привести к улучшению диагностики заболеваний, связанных с мутациями белка.
Работа опубликована в eLife.
Неврологические расстройства
Неврологические состояния, такие как неврологическое расстройство, связанное с KIF1A (KAND), могут серьёзно влиять на жизнь пациентов. Поэтому проводятся значительные исследования по смягчению некоторых симптомов. Ключевым компонентом является первоначальная диагностика, поскольку чем раньше будут выявлены проблемы, тем скорее их можно будет решить.
Профессор Кумико Хаяси из Института физики твёрдого тела Токийского университета сказала: «KAND возникает из-за мутаций в моторном белке KIF1A. Сообщается, что некоторые мутанты KIF1A генерируют моторную силу менее 1 пиконьютона по сравнению со здоровыми версиями, у которых она составляет 3,8 пиконьютона. Эти силы очень трудно обнаружить. Даже сильная копия KIF1A с силой в 3,8 пиконьютона оказывает лишь триллионную долю силы, необходимой для подъёма яблока».
Оптические пинцеты и ДНК-нанопружина
Предыдущие исследования пытались использовать оптические пинцеты на основе лазеров, но сигналы, которые они давали, были неясными, а тестовые образцы часто отсоединялись. Поэтому учёные искали более совершенную альтернативу, и это привело к использованию спиральной ДНК-нанопружины, созданной старшим научным сотрудником NICT Мицухиро Иваки.
Название говорит само за себя: это крошечная спираль длиной всего в несколько нанометров, в миллиарды раз тоньше человеческого волоса, сделанная из ДНК. Её можно надёжно прикрепить как к неподвижной поверхности, так и к белку KIF1A. Благодаря своей пружинной природе она растягивается в зависимости от приложенной к ней силы. Нанопружина светится под микроскопом, указывая на степень своего растяжения.
Наблюдая за этой флуоресценцией, Хаяси и её команда смогли точно измерить, насколько сильно KIF1A воздействует на ДНК-нанопружину.
Процесс создания нанопружины
Нанопружины создаются с помощью процесса, называемого ДНК-оригами, где длинная цепь ДНК складывается с помощью множества более коротких цепей. Компьютерные программы помогают создавать двух- и трёхмерные формы на наноуровне, а ДНК складывается правильно сама по себе, потому что составляющие её молекулы соединяются предсказуемым образом. Благодаря своей форме и гибкости исследователи могут создавать крошечные пружинистые структуры, которые следуют чертежу с удивительной точностью.
Хотя ДНК-нанопружина вряд ли приведёт к лечению сама по себе, тот факт, что она может помочь в диагностике KAND, является большим шагом вперёд. Хаяси и её команда разрабатывают методы высокопроизводительного анализа данных, поскольку существует более 100 известных мутаций KIF1A, и они хотят создать базу данных, каталогизирующую их измерения силы.
«Поскольку биофизические свойства моторного белка важны для прогнозирования тяжести заболевания, мы стремимся улучшить прогнозы тяжести KAND, включив эти данные в модели производительности белка на основе искусственного интеллекта», — сказала Хаяси.
Предоставлено Токийским университетом.