Πώς παράγουν έργο οι μύες; Η μελέτη μοριακών μηχανών με παγίδες λέιζερ

Μετάφραση Αντώνης Γίτσας, Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων,
Τμήμα Φυσικής (http://users.uoi.gr/agitsas)

Τα μόρια κινητήρα μυοσίνης και ινιδίων ακτίνης είναι τα βασικά συστατικά του ιστού των μυών. Σχηματίζουν αλληλεπικαλυπτόμενα ινίδια στα κύτταρα, τα οποία γλιστρούν αναμεταξύ τους για να κάνουν το μυ να συσταλθεί Η εικόνα παραχωρήθηκε από τον Raul654· πηγή: Wikimedia Commons

Ο Alexandre Lewalle, από το King’s College του Λονδίνου, επεκτείνει τις γνώσεις μας για τις μηχανές – σε μοριακό επίπεδο. Δεν υπάρχει τίποτα ανεξήγητο στον τρόπο που σηκώνουμε μια σακούλα με ψώνια: σκύβουμε, την πιάνουμε, και την τραβάμε. Όπως γνωρίζουμε, το σώμα μας μετατρέπει χημική ενέργεια σε μηχανικό έργο, σα μια μηχανή που καίει καύσιμα. Αλλά, βεβαίως, το σώμα μας δεν είναι μηχανή με γρανάζια και έμβολα – ή μήπως είναι? Πράγματι, κάθε κύτταρο των μυών μας αποτελείται από εκατομμύρια πρωτεϊνών, οι οποίες είναι πραγματικά μικροσκοπικές μηχανές φτιαγμένες από ένα μόνο τύπο μορίου, όχι μεγαλύτερο από μερικά νανόμετρα (ένα εκατομμυριοστό του εκατοστού). Αυτά τα μόρια πρωτεΐνης, που ονομάζεται μυοσίνη, διατάσσονται σε μια οργανωμένη δομή και λειτουργούν συνεργατικά για να παράξουν δυνάμεις και κινήσεις πολλές φορές μεγαλύτερες απ’ όσο θα μπορούσε καθένα ξεχωριστά.

Σήμερα υπάρχει αυξημένο ενδιαφέρον για τη νανοτεχνολογία, το επιστημονικό πεδίο που ερευνά το μικρόκοσμο και αναζητά τρόπους ελέγχου του. Στο εργαστήριό μου στο King’s College του Λονδίνου, χρησιμοποιούμε μια συσκευή που ονομάζεται “οπτική λαβίδα” (optical tweezers) για να χειριστούμε και να μελετήσουμε αυτές τις μηχανές μία προς μία. Μικροσκοπικές μηχανές φτιαγμένες από τον άνθρωπο μπορεί να βρίσκονται ακόμα στη σφαίρα της επιστημονικής φαντασίας, αλλά με τέτοια πειράματα ίσως μάθουμε πώς τα καταφέρνει η φύση.

Κατανοώντας πώς λειτουργούν αυτά τα μόρια με λεπτομέρεια, μπορούμε να αντιληφθούμε τις μεθόδους με τις οποίες η φύση, μέσα από την εξέλιξη, έφτιαξε πολλά διαφορετικά είδη ζωής από εξαιρετικά λίγα πρότυπα. Στη φύση υπάρχουν πολλά είδη “μηχανών” φτιαγμένες από ένα μόνο μόριο, των οποίων οι λειτουργίες είναι ποικίλες και ουσιώδεις. Επιτρέπουν στα κύτταρα να λειτουργήσουν, να κινηθούν, και να αναπαραχθούν. Για παράδειγμα, ορισμένες από αυτές μεταφέρουν θρεπτικές ουσίες μέσα στο κύτταρο “τρέχοντας” σε ένα ενδοκυτταρικό σιδηροδρομικό δίκτυο. Οι μηχανές μοριακού μεγέθους πιθανότατα παίζουν καθοριστικό ρόλο και στην κυτταρική διαίρεση, διαχωρίζοντας τα χρωμοσώματα μετά την αντιγραφή τους. Άλλα είδη μηχανών κινούν το μαστίγιο που προωθεί το σπέρμα και μερικά βακτήρια. Πολλές από αυτές τις μηχανές έχουν παραπλήσια δομή, όμως επιτελούν εντελώς διαφορετικές λειτουργίες.

Η σύσπαση των μυών επιτυγχάνεται ολισθαίνοντας δύο είδη ινιδίων αναμεταξύ τους. Ένα από αυτά τα ινίδια είναι φτιαγμένο από μυοσίνη (ο κινητήρας), και το άλλο είναι μια ουσία που ονομάζεται ακτίνη (βλ. παραπάνω εικόνα). Τα δύο είδη ινιδίων αλληλεπικαλύπτονται στα μυϊκά κύτταρα ώστε να μεγιστοποιούν τις αλληλεπιδράσεις τους.

Όπως και οι συνηθισμένοι κινητήρες, έτσι και η μυοσίνη λειτουργεί κυκλικά, όπως φαίνεται στην εικόνα (δεξιά), για την αποτελεσματικότερη διαχείριση της ενέργειας. Κατά τη διάρκεια κάθε κύκλου, τα μόρια της μυοσίνης αρχικά συνδέονται στο ινίδιο της ακτίνης γεφυρώνοντας το κενό μεταξύ των ινιδίων. Κατόπιν “καίνε” καύσιμο αντιδρώντας με ένα μόριο ATP (το καύσιμο των περισσότερων βιολογικών διεργασιών). Αυτή η αντίδραση εκλύει ενέργεια και υποχρεώνει τα μόρια της μυοσίνης να αλλάξουν διαμόρφωση ώστε να περιστρέψουν το “βραχίονά” τους και να ωθήσουν την ίνα της ακτίνης. Στη συνέχεια, απελευθερώνουν το ινίδιο της ακτίνης και περιστρέφουν το βραχίονα στην αρχική θέση, έτοιμο για τον επόμενο κύκλο.

Ο κινητήρας μυοσίνης παράγει μηχανικό έργο ωθώντας μια ίνα ακτίνης με κυκλικό τρόπο: (1) σύνδεση με το ινίδιο, (2) ώθηση του ινιδίου, (3) απελευθέρωση του ινιδίου, και (4) ανεφοδιασμός (ένα μόριο ATP) Η εικόνα παραχωρήθηκε από τον Alexandre Lewalle

Κατά τη διάρκεια κάθε κύκλου, τα δύο ινίδια ολισθαίνουν αναμεταξύ τους κατά μια μικρή απόσταση – αυτή είναι η βασική αρχή της μυϊκής σύσπασης. Οι δυνάμεις και οι κινήσεις που δημιουργούνται σε κάθε κύκλο είναι απειροελάχιστες, όμως ο συνδυασμός εκατομμυρίων μορίων μυοσίνης που λειτουργούν ταυτόχρονα μεγεθύνει το αποτέλεσμα κατά πολλές τάξεις μεγέθους.

Οι βιολόγοι μελετούν τους μύες και τη μυοσίνη εδώ και δεκαετίες, αλλά παρόλα όσα γνωρίζουμε, παραμένει ανεξήγητο ένα μεγάλο κομμάτι: Πόσο δυνατά ωθούν τα μόρια της μυοσίνης την ακτίνη και σε ποια απόσταση; Πώς εξαρτάται η διάρκεια ενός κύκλου από το χημικό περιβάλλον; Γνωρίζουμε ότι το ολικό έργο που παράγεται από το μόριο της μυοσίνης επηρεάζεται σημαντικά από την εξωτερική δύναμη αντίθετα προς την οποία πρέπει να ωθήσει ο κινητήρας, αλλά η σχέση μεταξύ τους δεν είναι ακόμα αρκετά κατανοητή. Λόγω του μικρού τους μεγέθους, τα μόρια-κινητήρες, όπως η μυοσίνη, αντιδρούν με το περιβάλλον τους πολύ διαφορετικά απ’ ότι μεγαλύτερα μόρια. Για παράδειγμα, σε αντίθεση με τον κινητήρα ενός αυτοκινήτου, η επίδραση του ιξώδους στο περιβάλλον και ο διαρκής βομβαρδισμός με μόρια νερού (κίνηση Brown) είναι σημαντικά. Σε μοριακή κλίμακα, η κίνηση μέσα σε νερό είναι τόσο δύσκολη σα να κολυμπάς σε μέλι!

Η περιέργεια των επιστημόνων είναι ακόρεστη. Οι θεωρητικοί σκαρώνουν μοντέλα που προτείνουν πώς λειτουργούν οι μύες, όμως τελικά, μόνο τα πειράματα θα μας διδάξουν το κάτι παραπάνω. Παρόλα αυτά, μια λεπτομερής κατανόηση της μυοσίνης δεν μπορεί να επιτευχθεί κοιτώντας τον μυ ως σύνολο, επειδή αυτό που βλέπουμε είναι η συνολική επίδραση πολλών κινητήρων μυοσίνης που λειτουργούν αυτόνομα. Αντίθετα, εκείνο που χρειάζεται είναι ένας τρόπος να ελέγξουμε και να εξετάσουμε τα μόρια της μυοσίνης ανεξάρτητα. Αυτό από μόνο του είναι μια μεγάλη πρόκληση. Προφανώς δεν έχουμε να κάνουμε με αντικείμενα που μπορείς να κρατήσεις στη χούφτα σου!

Το πείραμα του “αλτήρα”. Ένα ινίδιο ακτίνης τεντώνεται ανάμεσα σε δύο πλαστικά σφαιρίδια που συγκρατούνται με οπτική λαβίδα. Το μόριο μυοσίνης συνδέεται στο ινίδιο, και η μετατόπιση που προκαλεί ανιχνεύεται από τις θέσεις των δύο παγιδευμένων σφαιριδίων Η εικόνα παραχωρήθηκε από τον Alexandre Lewalle

Μονάχα τα τελευταία χρόνια οι επιστήμονες ανέπτυξαν εργαλεία που τους επιτρέπουν να χειριστούν μεμονωμένα μόρια, ανοίγοντας νέους δρόμους έρευνας και εξασθενίζοντας τα όρια μεταξύ παραδοσιακών κλάδων, όπως η φυσική και η βιολογία. Στην “οπτική λαβίδα”, ή “οπτική παγίδα”, μια δέσμη λέιζερ που εστιάζεται με τον ισχυρό αντικειμενικό φακό ενός μικροσκοπίου παγιδεύει μικροσκοπικά αντικείμενα. Αυτή η παγίδευση εκμεταλλεύεται το γεγονός ότι τα φωτόνια μεταφέρουν ορμή και επομένως ασκούν μικροσκοπικές δυνάμεις σε σωματίδια. Μια μικρή μετατόπιση ενός σωματιδίου εκτός εστίασης προκαλεί εκτροπή της φωτεινής δέσμης και άρα, λόγω του τρίτου νόμου του Νεύτωνα, το σωματίδιο δέχεται μια δύναμη επαναφοράς προς το κέντρο της παγίδας. Αυτή η ευαίσθητη τεχνική παρέχει έναν ευθύ τρόπο χειρισμού μεμονωμένων μορίων. Η μελέτη της μυοσίνης με αυτήν ευνοείται επειδή οι δυνάμεις που ασκούνται από το λέιζερ είναι παρόμοιου μεγέθους με εκείνες που ασκούνται από την ίδια τη μυοσίνη.

Το πείραμά μας στο King’s College έχει σχεδιαστεί για να αναπαράξει στο μικροσκόπιο τη βασική μονάδα ενός μυός που συστέλλεται. Σκοπός είναι να μελετήσουμε πώς ένα συγκεκριμένο μόριο μυοσίνης αντιδρά σε μια εξωτερική δύναμη που ασκείται σε ένα ινίδιο ακτίνης μέσω της οπτικής λαβίδας. Αρχικά φτιάχνουμε δύο παγίδες ρίχνοντας δύο δέσμες λέιζερ στον αντικειμενικό φακό του μικροσκοπίου μας (βλ. εικόνα). Έπειτα, κάθε παγίδα συλλαμβάνει ένα πλαστικό σφαιρίδιο μεγέθους μικρομέτρου με ειδική επίστρωση για να κρατάει ινίδια ακτίνης. Ένα μονάχα ινίδιο παγιδεύεται και τεντώνεται ανάμεσα στα σφαιρίδια, φτιάχνοντας ένα είδος αλτήρα. Μετακινούμε ύστερα αυτόν τον αλτήρα προς ένα άλλο σφαιρίδιο που είναι στερεωμένο πάνω στην καλυπτρίδα του μικροσκοπίου και είναι καλυμμένο με μόρια μυοσίνης. Όταν οι συνθήκες είναι κατάλληλες, καταφέρνουμε να κάνουμε ένα μόριο μυοσίνης, που βρίσκεται κοντά την κορυφή του κεντρικού σφαιριδίου, να αλληλεπιδράσει με το ινίδιο ακτίνης του αλτήρα, όπως θα έκανε με την ίνα ενός μυ.

Οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ της μυοσίνης και της ακτίνης μπορούν να ανιχνευθούν με παρακολούθηση των θέσεων των δύο σφαιριδίων του αλτήρα. Όταν η μυοσίνη συνδέεται και ωθεί τη μυοσίνη (όπως φαίνεται στην παραπάνω εικόνα), τα σφαιρίδια μετατοπίζονται από τα κέντρα των παγίδων κατά μία μικρή αλλά μετρήσιμη απόσταση. Αυτή η μετατόπιση δε μας λέει μόνο πόσο μακριά ώθησε ο κινητήρας μυοσίνης την ακτίνη, αλλά και πόση δύναμη ασκήθηκε αντίθετα στην τάση των δύο παγίδων. Οι μετρήσεις μας έδειξαν ότι η μέση μετατόπιση από ένα μόριο μυοσίνης είναι περίπου 10 νανόμετρα, με τυπικές δυνάμεις μερικών πικονιούτον (10-12 νιούτον). Αυτές οι τιμές αποτελούν σημαντικές παραμέτρους για κάθε θεωρητικό μοντέλο που προσπαθεί να εξηγήσει τη φυσιολογία των μυών ξεκινώντας από τα βασικά δομικά στοιχεία.

Η συσκευή οπτικής λαβίδας Η εικόνα παραχωρήθηκε από τον Alexandre Lewalle

Εννοείται ότι αυτά τα πειράματα απαιτούν πολλή υπομονή. Απαιτούν επίσης τη συνεργασία επιστημόνων με διάφορες ειδικότητες. Οι Βιολόγοι είναι απαραίτητοι για να συνδέσουν τα πειραματικά αποτελέσματα με τη γνωστή φυσιολογική συμπεριφορά των μυών, και να διασφαλίσουν ότι η μελέτη παραμένει στο σωστό δρόμο. Οι Φυσικοί είναι εξίσου σημαντικοί για τη σωστή διάταξη των οπτικών και ηλεκτρονικών τμημάτων της συσκευής και για την ποσοτική ανάλυση των αποτελεσμάτων. Όπως συμβαίνει σε πολλά ερευνητικά πεδία, τα όρια της γνώσης μας επεκτείνονται μόνο δοκιμάζοντας νέα πράγματα, και με ακατάπαυστη περιέργεια και αναζήτηση. Έτσι, την επόμενη φορά που θα σκεφτείτε ότι δεν υπάρχει τίποτα πιο απλό από το να κλωτσήσετε μια μπάλα, ξανασκεφτείτε το.