Ilmuwan menggunakan APS untuk lebih memahami bentuk otot, fungsi


Melenturkan otot penelitian kami: Para ilmuwan menggunakan APS untuk lebih memahami bentuk, fungsi otot

  • Baik otot manusia dan tarantula mengandung miosin, yang memicu pergerakan otot. Mempelajari otot tarantula di APS dapat membantu para ilmuwan memahami gerakan otot manusia.

    Kredit: (Gambar oleh Hewan Peliharaan di Bingkai / Shutterstock.)

    Baik otot manusia dan tarantula mengandung miosin, yang memicu pergerakan otot. Mempelajari otot tarantula di APS dapat membantu ilmuwan memahami gerakan otot manusia.

  • (Kiri ke kanan) Sebastian Duno-Miranda, Roger Craig, Raúl Padrón, Thomas Irving, dan Weikang Ma, rekan penulis studi sinar-X otot tarantula hidup, di Advanced Photon Source pada November 2019.

    Kredit: (Gambar milik Thomas Irving, IIT.)

    (Kiri ke kanan) Sebastian Duno-Miranda, Roger Craig, Raúl Padrón, Thomas Irving, dan Weikang Ma, rekan penulis studi sinar-X otot tarantula hidup, di Advanced Photon Source pada November 2019.


Tim peneliti menggunakan sinar-X yang kuat untuk mengungkap struktur dan perilaku protein yang mengatur pergerakan otot tarantula, yang dapat mengajari kita lebih banyak tentang otot kita sendiri.

Tarantula dan manusia tampaknya tidak memiliki kesamaan. Tapi otot kita menceritakan kisah yang berbeda.

Baik otot manusia dan laba-laba mengandung miosin, sebuah keluarga protein motorik yang penting untuk gerakan. Ilmuwan tidak memiliki pemahaman lengkap tentang bagaimana myosin memicu pergerakan otot. Tetapi karena miosin dalam tarantula lebih mudah dianalisis di dalam laboratorium, peneliti memiliki kesempatan untuk mempelajari lebih lanjut.

“Dengan sumber daya seperti APS, kami dapat memperoleh informasi struktural yang sangat mendetail yang kami butuhkan untuk memahami sepenuhnya perilaku dasar seperti pergerakan otot.” – Thomas Irving, profesor Institut Teknologi Illinois dan rekan penulis studi ini

Sebuah tim peneliti yang dipimpin oleh ahli biologi struktural Raúl Padrón, seorang profesor di Fakultas Kedokteran Universitas Massachusetts, telah memperoleh wawasan yang kuat menggunakan sinar-X di Advanced Photon Source (APS), Kantor Fasilitas Pengguna Sains Departemen Energi AS (DOE) di Laboratorium Nasional Argonne DOE. Percobaan para peneliti, yang diterbitkan di PNAS, mengungkapkan secara rinci struktur dan perilaku miosin saat dinyalakan dan dimatikan di otot tarantula.

Wawasan mereka dapat membantu para ilmuwan lebih memahami berbagai cara otot dapat berperilaku dan dasar struktural untuk penyakit manusia seperti kardiomiopati hipertrofik (HCM), suatu kondisi di mana otot jantung manusia berkontraksi dengan terlalu banyak kekuatan.

Peran myosin dalam perilaku otot

Otot biasanya berkontraksi ketika miosin berinteraksi dengan protein lain yang disebut aktin. Keduanya muncul sebagai filamen, atau serat seperti tali. Filamen miosin khususnya memiliki ratusan struktur berkepala dua yang tersebar di sepanjang mereka. Saat diaktifkan, kepala ini mengikat aktin, dan gerakan ini menghasilkan gaya.

“Ketika otak kita mengirimkan sinyal listrik ke otot kita, memerintahkan mereka untuk bergerak, apa yang sebenarnya terjadi pada kepala myosin ini? Itulah pertanyaan yang ingin kami jawab dengan penelitian ini, ”kata Padrón.

Padrón dan rekan-rekannya juga menjelaskan fenomena yang dikenal sebagai potensiasi posttetanic (PTP). PTP terjadi ketika otot menghasilkan kekuatan yang luar biasa kuat setelah periode stimulasi yang lama.

“Kami ingin mempelajari dasar struktural PTP karena PTP terjadi di otot rangka manusia dan hewan lain,” kata Padrón.

Analisis sinar-X di APS

Untuk menemukan jawaban, Padrón dan timnya melakukan percobaan di beamline Biophysics Collaborative Access Team (BioCAT), 18-ID, yang didanai oleh National Institutes of Health dan dirancang khusus untuk mempelajari otot dan serat biologis lainnya di APS.

Peneliti menganalisis kaki tarantula hidup dengan pancaran sinar-X yang kuat yang dihasilkan oleh APS. Dengan menggunakan pola difraksi sinar yang dibuat saat tersebar di otot, tim dapat menghitung dan mengkarakterisasi struktur molekul di dalam otot.

“Alasan kami memilih tarantula khususnya adalah karena filamen miosinnya terstruktur dengan baik, yang memungkinkan kami mendapatkan pola difraksi sinar-X berkualitas tinggi yang sangat bagus,” kata Padrón.

Menyatukan pola difraksi ini seperti serangkaian bingkai dalam film, mereka juga dapat melacak bagaimana kepala myosin bergerak sebelum, selama, dan setelah kontraksi.

“Tiga puluh atau 40 tahun yang lalu, akan membutuhkan waktu berhari-hari untuk mendapatkan satu pola, tetapi hari ini kita bisa mendapatkan ratusan gambar dalam satu detik hampir secara real time. Itulah kekuatan APS, ”kata rekan penulis Weikang Ma, asisten profesor peneliti di Institut Teknologi Illinois (IIT) dan ilmuwan garis sinar BioCAT.

Wawasan mengungkapkan dinamika proses

Pendekatan eksperimental – yang dikenal sebagai difraksi sinar-X synchrotron terselesaikan waktu – memungkinkan para peneliti untuk melihat bagaimana dua kepala myosin berinteraksi satu sama lain secara lebih rinci daripada yang telah dicapai dalam sistem otot lain, menurut direktur BioCAT Thomas Irving, seorang Profesor IIT dan rekan penulis studi.

Antara lain, mereka menemukan bahwa, dalam keadaan rileks, kepala miosin sejajar satu sama lain dalam elemen berulang yang dikenal sebagai motif kepala yang berinteraksi (IHM). Penelitian lain telah membuktikan bahwa IHM ada pada hewan lain, termasuk manusia dan tikus, tetapi penelitian ini adalah yang pertama menunjukkan IHM hadir dalam otot hidup.

Para peneliti juga menemukan bahwa, tidak seperti manusia, miosin dalam tarantula tidak diaktivasi oleh tekanan mekanis, tetapi oleh fosforilasi (penambahan unsur fosfat). Setelah menerima sinyal untuk berkontraksi, satu kepala miosin menjadi terfosforilasi, menyebabkannya dilepaskan dari IHM dan mengubah posisi untuk mengikat ke aktin. Pelepasan satu kepala membebaskan kepala lainnya menjadi terfosforilasi dan aktif. Urutan peristiwa ini membantu menjelaskan bagaimana kontraksi dan PTP terjadi.

Aktivasi miosin dan IHM terkait dengan penyakit manusia seperti HCM, yang paling umum dari semua kondisi jantung genetik. Studi menunjukkan bahwa mutasi yang terkait dengan HCM terjadi dalam interaksi antara dua kepala myosin yang membentuk IHM. Apa yang telah dipelajari para ilmuwan tentang IHM dan pengaturan miosin dalam APS dapat memberi mereka petunjuk untuk lebih memahami HCM dan merancang obat untuk mengobati gangguan yang dihasilkan oleh HCM pada IHM.

“Dengan sumber daya seperti APS, kita dapat memperoleh informasi struktural yang sangat rinci yang kita butuhkan untuk benar-benar memahami struktur dan fungsi otot kita sendiri,” kata Irving.

Makalah, berjudul “Motif kepala berinteraksi myosin yang ada di otot tarantula hidup menjelaskan mekanisme fosforilasi tetanik dan posttetanik” diterbitkan dalam Prosiding National Academy of Sciences pada Juni 2020. Rekan penulis lainnya termasuk Sebastian Duno-Miranda, Natalia Koubassova , Kyoung Hwan Lee, Antonio Pinto, Lorenzo Alamo, Pura Bolaños, Andrey Tsaturyan dan Roger Craig.

Studi ini didanai oleh National Institutes of Health.

Sumber Foton Tingkat Lanjut adalah DOE Office of Science User Facility. BioCAT adalah fasilitas pengguna nasional yang didanai oleh National Institutes of Health.

Tentang Sumber Foton Tingkat Lanjut

Sumber Foton Lanjutan Departemen Energi AS (APS) di Argonne National Laboratory adalah salah satu fasilitas sumber cahaya sinar-X paling produktif di dunia. Itu APS memberikan sinar X-ray kecerahan tinggi ke berbagai komunitas peneliti dalam ilmu material, kimia, fisika benda terkondensasi, ilmu kehidupan dan lingkungan, dan penelitian terapan. Sinar-X ini cocok untuk eksplorasi material dan struktur biologis; distribusi unsur; kimia, magnet, keadaan elektronik; dan berbagai sistem rekayasa yang penting secara teknologi mulai dari baterai hingga semprotan injektor bahan bakar, yang semuanya merupakan dasar dari kesejahteraan ekonomi, teknologi, dan fisik bangsa kita. Setiap tahun, lebih dari 5,000 peneliti menggunakan APS untuk menghasilkan 2,000 publikasi yang merinci penemuan yang berdampak, dan memecahkan struktur protein biologis yang lebih penting daripada pengguna fasilitas penelitian sumber cahaya sinar-X lainnya. APS ilmuwan dan insinyur berinovasi teknologi yang merupakan jantung dari kemajuan akselerator dan operasi sumber cahaya. Ini termasuk perangkat penyisipan yang menghasilkan sinar-X kecerahan ekstrem yang dihargai oleh para peneliti, lensa yang memfokuskan sinar-X ke beberapa nanometer, instrumentasi yang memaksimalkan cara sinar-X berinteraksi dengan sampel yang sedang dipelajari, dan perangkat lunak yang mengumpulkan dan mengelola sejumlah besar data yang dihasilkan dari penelitian penemuan di APS.

Penelitian ini menggunakan sumber dari Advanced Photon Source, US KELINCI BETINA Fasilitas Pengguna Office of Science yang dioperasikan untuk KELINCI BETINA Office of Science oleh Argonne National Laboratory di bawah Kontrak No. DE-AC0206CH11357.

Laboratorium Nasional Argonne mencari solusi untuk menekan masalah nasional dalam ilmu pengetahuan dan teknologi. Laboratorium nasional pertama bangsa, Argonne melakukan penelitian ilmiah dasar dan terapan terdepan di hampir setiap disiplin ilmu. Peneliti Argonne bekerja erat dengan para peneliti dari ratusan perusahaan, universitas, dan federal, lembaga negara bagian dan kota untuk membantu mereka memecahkan masalah spesifik mereka, memajukan kepemimpinan ilmiah Amerika dan mempersiapkan bangsa untuk masa depan yang lebih baik. Dengan karyawan lebih dari 60 negara, Argonne dikelola oleh UChicago Argonne, LLC untuk Kantor Sains Departemen Energi AS.

Kantor Ilmu Pengetahuan Departemen Energi AS adalah pendukung terbesar penelitian dasar dalam ilmu fisika di Amerika Serikat dan sedang berupaya untuk mengatasi beberapa tantangan paling mendesak di zaman kita. Untuk informasi lebih lanjut, kunjungi https: // ener gy .gov / s c ience.

Diposting Oleh : https://singaporeprize.co/

About the author