York (VK) – Met een lasertoestel dat werkt als een optisch pincet, onderzoekt Justin Molloy de werking van spiercellen.


Een optische pincet bestaat uit een zeer smalle, gefocusseerde laserstraal die kleine deeltjes kan vastpakken en kan verplaatsen over een paar miljoenste meter. Het laserlicht produceert een kracht die kleine deeltjes aantrekt. De Britse onderzoeker Justin Molley gebruikt optische pincetten voor onderzoek aan spiereiwitten. Zijn optisch pincet gebruikt een infrarode laser, zodat het licht nauwelijks het biologische materiaal kan beschadigen.
Spieren leveren kracht als de eiwitten actine en myosine langs elkaar heen schuiven. Bij dit proces zet myosine – een soort moleculaire motor – het energiemolecuul ATP om ADP. Daarbij komt chemische energie vrij die wordt omgezet in mechanische energie. Alle hogere vormen van leven (vanaf gisten) hebben actine en myosine in de cellen. Verschillende cellen gebruiken verschillende typen myosine. Myosine in spiercellen werkt op hoge snelheid. Miljarden myosinemoleculen werken daar samen om kracht te leveren. Andere typen leveren juist een grote kracht of staan in de achteruitstand.

Molley koppelt met twee lichtpincetten de uiteinden van een actinevezel aan twee polystyreen kraaltjes. Vervolgens spant hij met de pincetten de vezel strak en doopt die in een oplossing met ATP alsmede polystyreenkraaltjes waaraan een paar myosinemoleculen zijn gekoppeld. Zodra de actinevezel een van de myosinemoleculen ontmoet, blijft hij daaraan kleven. Vervolgens breekt myosine ATP af en trekt het de actinevezel een paar nanometer verder. Uit de veranderingen van de positie van de kraaltjes in de oplossing bepaalt Molley welke kracht de twee vezels op elkaar uitoefenen en hoeveel de vezels bij elke afbraak van een ATP-molecuul bewegen.
Nadat Molley en zijn medewerkers myosine uit spiercellen hadden bekeken, herhaalden ze het experiment met myosine uit hersen-, lever- en darmcellen. Daar zorgt myosine voor de spanning in celmembranen. Deze myosinen leveren een grote kracht over een lange periode. De reactie verloopt daardoor veel trager.

Tweetaktmotor
Tot hun verrassing zagen de onderzoekers nu dat myosine niet in één stap, maar in twee stappen van vorm verandert. Het is net een tweetaktmotor. Nadat myosine het ATP bindt, volgt de hydrolyse van ATP met een watermolecuul tot ADP en anorganisch fosfaat. Vervolgens komt het fosfaat vrij, waarbij myosine de eerste vormverandering doormaakt en iets langs het actine verplaatst. Daarna komt het ADP vrij, waarna het myosine verder van vorm verandert en nog iets opschuift. Bij myosine uit spieren verloopt de reactie zo snel, dat dit nooit kon worden waargenomen.
De groep van Molloy zal nu ook andere myosinen gaan onderzoeken. Justin Molloy: “Het uiteindelijke doel is te begrijpen hoe moleculaire motoren chemische energie omzetten in mechanische arbeid, en hoe dat proces afhangt van het motorontwerp. Als we begrijpen hoe biologische motoren werken, zal dat ongetwijfeld van pas komen bij het ontwerpen van onze eigen machines op nanoschaal.”

Erick Vermeulen