Ved hjelp av svært følsomme atomkraftmikroskoper oppdaget forskerne en kjemisk reaksjon som øker elastisiteten til muskelproteiner. Avgjørende er denne reaksjonen rettet mot molekyler som har blitt utsatt for en strekkraft. Dette funnet endrer vår forståelse av hvordan muskler reagerer på strekk og kan føre til nye behandlinger av muskelforstyrrelser.
«Vi oppdaget en effektiv måte å justere muskelelasticitet på,» sier Pallav Kosuri, en av hovedforfatterne. «Vi observerte først effekten på molekylært nivå, og testet det helt opp til menneskelig vev.»
Julio Fernandez har brukt nesten to tiår på å studere den molekylære opprinnelsen til muskelelasticitet, banebrytende enkeltmolekylteknikker som i dag er mye brukt til å studere molekylers mekanikk. Et spesielt molekyl fanget hans oppmerksomhet: et protein kalt titin. Det største proteinet i kroppen, titin, er også hovedkilden til passiv muskelelasticitet. Hvert titinmolekyl består av en lang kjede av brettede bunter som ligner et tau med hundrevis av knuter. Titin har tradisjonelt vært ansett som en passiv strukturell stillas for muskel; derimot, forskning gjort I Fernandez lab avslører at det er mer til titin enn møter øyet. «Titin er en mekanisk datamaskin som gir riktig elastisk utgang til hver eneste muskel i kroppen vår, inkludert hjertet,» Sier Fernandez. «Å sørge for at denne datamaskinen fungerer på optimal ytelse er blant de mest formidable utfordringene menneskekroppen må møte.»
I den nye studien undersøkte Hovedforfatterne Jorge Alegre-Cebollada og Kosuri hvordan titinelasticitet påvirkes av oksidasjon. Oksidasjonsnivåene øker under muskelaktivitet som en naturlig konsekvens av forhøyet metabolisme. Forskerne fant at titin inneholder et uvanlig høyt antall oksidasjonspunkter-steder som er utsatt for oksidasjon-men at de fleste av disse flekkene er skjult inne i molekylære folder og derfor er inaktive. Men å strekke en muskel kan tvinge titin til å utfolde seg. Forfatterne fant at slik utfoldelse eksponerte hotspots, forårsaker titin å bli stadig mer følsomme for oksidasjon når strukket. Intrigued av denne observasjonen, satte laget seg for å undersøke hva som skjer med titin når det blir oksidert. De fokuserte på en av de vanligste former for oksidasjon, kalt glutathionylering.
forskerne observert at, som de hadde forventet, mekanisk kraft unraveled de brettede buntene i titin og aktivert glutathionylering. Overraskelsen kom da de fant ut at denne typen oksidasjon låser buntene i utfoldet tilstand, noe som gjør at stivheten til titin faller dramatisk. I fravær av oksidasjon kan mekanisk kraft bare generere forbigående endringer i elastisitet, som varer maksimalt noen få sekunder. Effekten av en mekanisk kraft i kombinasjon med glutathionylering var imidlertid mye mer vedvarende-stivheten av titinmolekylene kunne bare tilbakestilles ved å reversere oksidasjonen.
Å sette disse brikkene sammen kan forklare hvorfor kombinasjonen av trening og strekk fører til langvarig, men reversibel økning i fleksibilitet. Trening letter oksidasjonsreaksjoner, men det strekker seg som primerer muskelen for oksidasjon. Når oksidasjonsreaksjoner oppstår, låser de muskelproteinene i utfoldet tilstand og forårsaker vedvarende økning i elastisiteten. Muskelen går tilbake til normal når muskelcellene naturlig fjerner oksidasjonen, en prosess som kan ta flere timer. «Som en yoga aficionado, tror jeg at vi begynner å forstå økningen i fleksibilitet indusert av yoga,» sier Alegre-Cebollada. «En pose som nedovervendt hund er en svært effektiv måte å utfolde knutene i titin, slik at modifikasjoner som gjør at proteinet husker at det må forbli utfoldet og mykt.»Fernandez og team spekulerer på at denne typen mekanisk minne kan være et vanlig trekk ved de fleste elastiske vev.
Klinisk peker oppdagelsen på potensialet for å bruke biokjemiske midler for å endre muskelelasticitet. Slik farmakologisk tuning av muskelmekanikk kan føre til nye behandlinger for hjertesykdom og andre forhold som påvirker muskelelasticitet, inkludert utvidet kardiomyopati, en av de vanligste årsakene til hjertesvikt hos unge mennesker. «Dette er en innledende oppdagelse, men implikasjonene er veldig spennende,» sier Kosuri. «Og det viser at vi fortsatt har mye å lære om hvordan musklene våre virkelig fungerer.»