记忆的蛋白质

当加州大学圣塔芭芭拉分校的材料科学家Omar Saleh和研究生Ian Morgan在实验室中试图理解无序蛋白质的机械行为时，他们期望在被拉伸后，一个特定的模型蛋白质会像橡皮筋一样瞬间弹回来。

相反，这种紊乱的蛋白质会慢慢放松，需要几十分钟才能恢复到原来的形状——这一行为违背了人们的预期，并暗示了一种长期以来被认为存在但一直难以证实的内部结构。

“放松的速度很重要，因为它让我们对蛋白质的结构组织有了一些了解，”发表在《物理评论快报》上的一篇论文的第一作者摩根说。“这很重要，因为蛋白质的结构组织通常与其生物学功能有关。”

当蛋白质具有固定的“褶皱”(一种定义明确的三维结构)与它的功能相关联时，无序的蛋白质和它们不稳定的结构，从它们的动力学中获得它们的功能。

“超过40%的人类蛋白质至少是部分不公开的，它们通常与关键的生物过程以及使人衰弱的疾病有关，”摩根说。

慢弛豫实际上是一种典型的折叠蛋白质的行为。

“在20世纪80年代，人们发现折叠的蛋白质表现出缓慢的松弛，”摩根说，这是典型的玻璃——一类材料既不是真正的液态也不是晶体固态，但可以表现出两种状态的特征。

“我们一直在研究蛋白质折叠在很长一段时间内,开发出了很多好的工具,所以它很快就发现缓慢放松方式可以解释为一种机制,通过这种“沮丧”分子试图适应自己在一个小空间,”摩根说,一种机制称为“干扰。“这种解释帮助我们更好地理解折叠蛋白质的结构，并解释许多其他系统中的玻璃化行为。”

然而，研究人员试图用一种被称为磁镊子的设备拉伸的蛋白质是一种紊乱的蛋白质。Saleh说，根据定义，它并不是试图在一个小空间内压缩许多分子，因此它不应该遇到干扰问题。

“所以，当我们观察到缓慢放松时，这要么意味着我们对这种蛋白质的定义是错误的，要么肯定有其他的机制，”摩根说。

此外,通过允许伸展蛋白可以放松一下,但拉伸再用更少的力才有机会得到充分的放松,研究人员发现,蛋白质“记得”先前拉伸——最初延长,如预期有更多的力量,但最终慢慢放松再次延长像预期的那样用更少的力,但随着时间的推移,然后慢慢放松。摩根解释说，从概念上讲，蛋白质被拉伸的时间越长，它放松的时间也就越长，因此它“记得”自己被拉伸了多长时间。

为了解释这些意想不到的玻璃状行为，研究人员从一些相当普通的物体中获得灵感:皱巴巴的纸和记忆泡沫。这两个结构上都是无序的系统，在受到外力作用后，它们都表现出类似的缓慢对数弛缓，特别是在泡沫的情况下，一种“记忆”效应。

等研究人员的行为表明,记忆泡沫和皱巴巴的纸,蛋白质的内部结构并不是一个单一的固定单位,但几个之一,独立子结构之间的一系列优势强和弱,应对一系列部队对材料在不同的时间长度。例如，坚固的结构在被拉开之前可能会承受一定的拉力，并首先放松，而脆弱的结构会用较小的力拉伸，需要更长的时间放松。

基于多重子结构的概念，并得到实验数据的证实，研究人员确定了蛋白质的对数弛豫率与拉伸力成反比。

萨利赫解释说:“对紊乱的蛋白质施加的拉伸力越强，在相同的时间内，蛋白质放松的程度就越大。”

“具有类似结构安排的机械无序系统往往非常持久，”摩根说。“它们也有不同的机械性能，这取决于你对它们的拉力和压缩程度。这使它们具有很强的适应性，这取决于部队的规模和频率。了解这种适应能力背后的结构可以打开未来动态材料的大门，摩根说，“就像你的大脑，帮助它们过滤掉不重要的信息，使它们更有效地存储重复刺激。”

这项研究也是由特拉维夫大学的Ram Avinery, Gil Rahamim和Roy Beck进行的。

这项工作是由国家科学基金会和以色列科学基金会通过美国-以色列两国科学基金会联合颁发的。