gebruikend hoogst gevoelige atoomkrachtmicroscopen, ontdekten de onderzoekers een chemische reactie die de elasticiteit van spierproteã nen verhoogt. Cruciaal, richt deze reactie molecules die aan een het uitrekken kracht zijn blootgesteld. Deze bevinding verandert ons begrip van hoe spieren reageren op stretching en kan leiden tot nieuwe behandelingen van spieraandoeningen.
“we ontdekten een effectieve manier om spierelasticiteit af te stemmen”, zegt Pallav Kosuri, een van de hoofdauteurs. “We observeerden het effect eerst op moleculair niveau en testten het vervolgens helemaal tot aan menselijk weefsel.”
Julio Fernandez heeft bijna twee decennia besteed aan het bestuderen van de moleculaire oorsprong van spierelasticiteit, baanbrekend voor single-molecule technieken die tegenwoordig veel gebruikt worden om de mechanica van moleculen te bestuderen. Eén molecuul in het bijzonder trok zijn aandacht: een eiwit genaamd titin. Het grootste eiwit in het lichaam, titin is ook de belangrijkste bron van passieve spierelasticiteit. Elke titinemolecule bestaat uit een lange keten van gevouwen bundels die op een touw met honderden knopen lijken. Titin is traditioneel beschouwd als een passieve structurele steiger voor spier; echter, onderzoek gedaan in het Fernandez lab blijkt dat er meer te titin dan het oog ontmoet. “Titin is een mechanische computer die de juiste elastische output levert aan elke spier in ons lichaam, inclusief het hart”, zegt Fernandez. “Ervoor zorgen dat deze computer werkt op optimale prestaties is een van de meest formidabele uitdagingen het menselijk lichaam moet voldoen.”
in de nieuwe studie onderzochten de leidende auteurs Jorge Alegre-Cebollada en Kosuri hoe titinelasticiteit wordt beïnvloed door oxidatie. Oxidatieniveaus stijgen tijdens spieractiviteit als een natuurlijk gevolg van verhoogd metabolisme. De onderzoekers ontdekten dat Titine een ongewoon hoog aantal oxidatiehotspots bevat — locaties die gevoelig zijn voor oxidatie — maar dat de meeste van deze plekken verborgen zijn in moleculaire plooien en daarom inactief zijn. Het uitrekken van een spier kan echter titin dwingen zich te ontvouwen. De auteurs vonden dat dergelijke ontvouwing bloot de hotspots, waardoor titin steeds gevoeliger voor oxidatie wanneer uitgerekt. Geïntrigeerd door deze observatie, ging het team onderzoeken wat er met titin gebeurt zodra het geoxideerd wordt. Ze richtten zich op een van de meest voorkomende vormen van oxidatie, genaamd glutathionylatie.
de onderzoekers merkten op dat, zoals ze hadden verwacht, mechanische kracht de gevouwen bundels in Titine ontrafelde en glutathionylatie mogelijk maakte. De verrassing kwam toen ze ontdekten dat dit type oxidatie vergrendelt de bundels in een uitgevouwen staat, waardoor de stijfheid van titin om dramatisch te dalen. Bij afwezigheid van oxidatie kan mechanische kracht slechts tijdelijke veranderingen in elasticiteit veroorzaken, die hoogstens een paar seconden duren. Het effect van een mechanische kracht in combinatie met glutathionylatie was echter veel hardnekkiger-de stijfheid van de titinemoleculen kon alleen worden gereset door de oxidatie om te keren.
het samenvoegen van deze onderdelen kan verklaren waarom de combinatie van trainen en strekken leidt tot langdurige, maar omkeerbare stijgingen in flexibiliteit. Oefenen vergemakkelijkt oxidatie reacties, maar het is stretching dat de spier voor oxidatie priemt. Zodra oxidatiereacties optreden, vergrendelen ze de spiereiwitten in een uitgevouwen toestand en veroorzaken ze aanhoudende verhogingen van hun elasticiteit. De spier gaat terug naar normaal wanneer de spiercellen op natuurlijke wijze de oxidatie verwijderen, een proces dat enkele uren kan duren. “Als yoga-liefhebber begin ik te begrijpen hoe flexibel yoga is,” zegt Alegre-Cebollada. “Een pose zoals naar beneden gerichte hond is een zeer effectieve manier om de knopen in titin ontvouwen, waardoor wijzigingen die het eiwit te herinneren dat het moet blijven uitgevouwen en zacht.”Fernandez en team speculeren dat dit soort mechanisch geheugen een gemeenschappelijk kenmerk van de meeste elastische weefsels zou kunnen zijn.
klinisch wijst de ontdekking op de mogelijkheid om biochemische middelen te gebruiken om de spierelasticiteit te veranderen. Een dergelijke farmacologische afstemming van de spiermechanica kan leiden tot nieuwe behandelingen voor hart-en vaatziekten en andere aandoeningen die de spierelasticiteit beïnvloeden, waaronder gedilateerde cardiomyopathie, een van de meest voorkomende oorzaken van hartfalen bij jongeren. “Dit is een eerste ontdekking, maar de implicaties zijn erg spannend”, zegt Kosuri. “En het laat zien dat we nog veel te leren hebben over hoe onze spieren echt werken.”