Anzeige
Each cell in the body contains motor proteins that ferry cargo such as chromosomes, mitochondria or bundles of proteins, either from the center of the cell to its outskirts or from the periphery toward the nucleus. Most motor proteins contain two motor domains, or heads, that are attached to a shared cargo-binding domain, or tail.
"Think of it as a freight train at the molecular level," said William Hancock, associate professor of bioengineering, Penn State. "And it runs on cylindrical tracks -- or microtubules -- made of many protein subunits meshed together into a long polymer that is one ten thousandth the diameter of hair."
Hancock and his colleagues are studying a particular motor protein known as kinesin-2. They are trying to understand the molecular mechanics of how these nanometer-scale proteins move within the cell.
"Kinesin motor proteins move by changing their shape," explains Hancock. "The two motor domains alternately bind to the microtubule, generate force and then detach, and the resulting displacement drags the cargo forward."
To power this hand-over-hand motion, the proteins convert the chemical energy of ATP molecules -- a common energy source in cells -- into mechanical work. But there is a problem if the proteins fall off their tracks.
"When a motor binds to the microtubule, it 'walks' about 100 steps -- each step being eight nanometers -- before detaching," said Hancock, whose findings appeared in a recent issue of Current Biology. "And the proteins are so small that if both motor domains let go, the proteins and their cargo would diffuse away within a few milliseconds. This profound effect of diffusion is one of the places where the nanoscale world fundamentally differs from the macro-scale world we normally live in."
The key to successfully hauling the cargo from one point to another lies in perfect coordination between the two motor domains. At any given time, one of the motor domains always needs to be bound to the track.
"Each motor domain is by itself an enzyme that continually alters the mechanics and the biochemistry of the other," explained Hancock, whose work is funded by the National Institutes of Health. "And we are trying to understand the mechanical coordination between the two domains. You can think of it like walking on two feet, but there's no brain to control when a step is taken, only a mechanical connection between the two feet."
The researchers have found that the tether that links the motor domains to the rest of the molecule is longer in kinesin-2 motors than in other kinesin proteins, which prevents efficient mechanical coordination between the two motor domains.
"If you think of this linker domain as a taut bungee cord, any force at one end will be communicated very efficiently to the other end. So the two motors can communicate very efficiently and the timing of their steps is tightly coordinated," Hancock said. "But if the cord is very loose, the forces from one motor domain are poorly communicated to the other and the precise timing of their steps is disrupted. This is a big effect and it reduces the performance of kinesin-2."
To confirm their findings, the researchers artificially lengthened the tethers on kinesin-1 motor proteins. These motors ferry chemicals over much greater distances -- such as in neurons that can be a meter long -- and the coordination between their two motor domains is very efficient.
The researchers found that when the tethers on kinesin-1 motors were lengthened, the communication between the two heads was diminished.
Hancock believes that the insight into the relationship between the length of the tether and the communication between the motor domains could offer new targets for drugs that inhibit kinesins.
"There are a lot of kinesins involved in cell division, and cancer is uncontrolled cell division," said Hancock. "Our hope is that this knowledge will help in the design of new drugs that block the motors during cell division and thereby slow the growth of tumors."
The researchers also believe that the kinesin transport system could in the future be engineered onto microchips.
"Our idea is that you can hook up cargo -- drugs, antibodies, sequences of DNA or RNA -- and the motors would carry them through microchannels on a lab-on-a-chip type of device," added Hancock. "We have already had success with incorporating these proteins into microengineered channels and achieving transport in these systems."
Other researchers on the paper include Gayatri Muthukrishnan, recent doctoral graduate, Penn State; Yangrong Zhang, recent doctoral graduate, Penn State and currently a post-doctoral fellow at Northwestern University, and Shankar Shastry, doctoral student, Penn State.
Amitabh Avasthi | Quelle: EurekAlert!
Weitere Informationen: www.psu.edu
Weitere Berichte zu: bundles of proteins > cell division > chromosomes > cylindrical tracks > Drug Delivery > kinesin-2 motors > microtubules > mitochondria > molecular level > motor protein > nanoscale machines > Nucleus > transport cargo > vehicles for drug delivery
Newly discovered breast milk antibodies help neutralize HIV
23.05.2012 | Duke University Medical Center
Scientists unravel role of fusion gene in prostate cancer
23.05.2012 | New York- Presbyterian Hospital/Weill Cornell Medical Center/Weill Cornell Medical College
Licht lässt die Partikel in der Atmosphäre wachsen. In einem Experiment hat ein internationales Forscherteam erstmals einen neuen Mechanismus nachweisen können, bei dem Partikel durch Licht größer werden und der damit Einfluss auf die Wolkenbildung und das Klima hat.
Photokatalytische Reaktionen können zu einer schnellen Bindung von nicht kondensierenden flüchtigen organischen Kohlenwasserstoffen (VOCs) auf der Oberfläche der Partikel führen. Unter solchen Bedingungen nehme die Größe und Masse der Partikel schnell zu, schreiben die Wissenschaftler im renommierten Fachblatt PNAS.
Die Ergebnisse des Laborexperimentes könnten Effekte erklären, die bisher schon bei Feldkampagnen ...
Ähnlich wie blutsaugende Insekten prüfen Pflanzenschädlinge ihren Wirt auf Abwehrsignale, bevor sie anfangen zu fressen
Pflanzen bilden wenige Minuten nach Angriff eines Fraßfeindes Jasmonsäure, ein Hormon, das die Verteidigung gegen Insekten in Gange setzt mit der Folge, dass giftige Stoffe wie Nikotin oder Verdauungshemmer in den Blättern akkumulieren.
Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für chemische Ökologie, Jena, haben jetzt herausgefunden, dass Zwergzikaden die Verteidigungsbereitschaft von Tabakpflanzen aufspüren können. ...
Wissenschaftlern vom Institut für Physikalische und Theoretische Chemie der Universität Bonn ist es erstmals gelungen, den Transport eines wichtigen Informationsträgers in biologischen Zellen praktisch unmodifiziert in Echtzeit zu filmen.
Die Studie zeigt, wie die so genannte Boten-RNA die Zellkernhülle überwindet und vom Zellkern in das Zytoplasma gelangt. Diese Arbeit ist nun in dem renommierten Journal „Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA“ (PNAS) publiziert.
Der Bauplan aller Lebewesen ist in ihrem Erbgut gespeichert. Dieses lagert bei höheren ...
Ein neuer Sonderforschungsbereich (SFB) an der Philipps-Universität geht der einzigartigen Fähigkeit von Mikroorganismen auf den Grund, sich ständig an veränderte Umweltbedingungen anzupassen. Die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) fördert den SFB 987 mit dem Titel "Mikrobielle Diversität in der umweltabhängigen Signalantwort" in den kommenden vier Jahren mit voraussichtlich mehr als sieben Millionen Euro.
„Die erfolgreiche Beantragung des neuen Sonderforschungsbereichs belegt einmal mehr die exzellenten wissenschaftlichen Leistungen im Bereich der Mikrobiologie am Standort Marburg“, erklärt Professor Dr. Frank Bremmer, der Marburger Uni-Vizepräsident für Forschung. „Die Einrichtung des SFB wird Marburgs Stellung als zentraler Ort der mikrobiologischen Forschung festigen und deren internationale Sichtbarkeit weiter erhöhen.“ ...
Erosion in tropischen Küstenregionen führt zum schnellen Tod der Korallen
Die Farbigkeit, Vielfalt und Exotik der tropischen Korallenriffe fasziniert viele Menschen weltweit. Und doch sind es die Folgen unserer Zivilisation, die dieses fragile Ökosystem bedrohen durch Klimaerwärmung, Sauerstoffmangel und Ozeanversauerung. Fortschreitende Industrialisierung, Waldrodungen und intensive Landwirtschaft in küstennahen Gebieten führen zu Erosion und verändern die Lebensbedingungen im Meer dramatisch.
Jetzt ...
Anzeige
Anzeige

23.05.2012 | Energie und Elektrotechnik
Nano-Müll lässt sich nicht verbrennen
23.05.2012 | Ökologie Umwelt- Naturschutz
Nea Kameni volcano movement captured by Envisat
23.05.2012 | Geowissenschaften
Jeder Mensch ist anders - Nutzen der individualisierten Medizin
23.05.2012 | Veranstaltungsnachrichten
14th Leibniz Conference of advanced science „Sensorsysteme 2012“
23.05.2012 | Veranstaltungsnachrichten
Exklusive Kontakte beim Investforum
23.05.2012 | Veranstaltungsnachrichten