當(dāng)加州大學(xué)圣塔芭芭拉分校的材料科學(xué)家奧馬爾·薩利赫(Omar Saleh)和研究生伊恩·摩根(Ian Morgan)試圖了解實(shí)驗(yàn)室中無(wú)序蛋白的力學(xué)行為時(shí)，他們希望拉伸后，一種特定的模型蛋白會(huì)像橡皮筋一樣瞬間回彈。

取而代之的是，這種無(wú)序的蛋白質(zhì)緩慢地放松了，花了數(shù)十分鐘才能放松成它的原始形狀，這種行為違背了預(yù)期，暗示了一種內(nèi)部結(jié)構(gòu)，人們一直認(rèn)為這種結(jié)構(gòu)已經(jīng)存在，但是很難證明。

“ 放松的速度很重要，因?yàn)樗刮覀儗?duì)蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)組織有了一定的了解，”主要作者摩根說(shuō)，他在《物理評(píng)論快報(bào)》上發(fā)表了一篇論文。“這很重要，因?yàn)榈鞍踪|(zhì)的結(jié)構(gòu)組織通常與其生物學(xué)功能有關(guān)。”

具有固定“折疊”的蛋白質(zhì)(定義明確的三維結(jié)構(gòu))與其功能相關(guān)，而具有不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的無(wú)序蛋白質(zhì)則從其動(dòng)力學(xué)中獲取其功能。

摩根說(shuō)：“超過(guò)40%的人類蛋白質(zhì)至少部分展開，它們通常與關(guān)鍵的生物學(xué)過(guò)程以及使人衰弱的疾病有關(guān)。”

緩慢的松弛實(shí)際上是折疊蛋白質(zhì)通常保留的行為。

“在1980年代，人們發(fā)現(xiàn)折疊的蛋白質(zhì)表現(xiàn)出緩慢的松弛，”摩根說(shuō)，這是玻璃所特有的行為。玻璃是一類既不是真正的液態(tài)也不是結(jié)晶固態(tài)的材料，但是可以表現(xiàn)出兩種狀態(tài)的特征。

“我們已經(jīng)對(duì)折疊蛋白進(jìn)行了很長(zhǎng)時(shí)間的研究，并為折疊蛋白開發(fā)了很多很好的工具，因此很快就發(fā)現(xiàn)緩慢的松弛可以用一種機(jī)制來(lái)解釋，即“沮喪的”分子試圖使自身適合于蛋白質(zhì)。很小的空間，”摩根說(shuō)-一種稱為“干擾”的機(jī)制。“這一解釋幫助我們更好地理解了折疊蛋白的結(jié)構(gòu)，并解釋了許多其他系統(tǒng)中的玻璃態(tài)行為。”

但是，研究人員試圖通過(guò)一種稱為磁力鑷子的裝置拉伸的蛋白質(zhì)是一種無(wú)序的蛋白質(zhì)。薩利赫說(shuō)，按照定義，它并不是試圖將許多分子堆積在一個(gè)狹小的空間內(nèi)，因此它不應(yīng)該遇到干擾問(wèn)題。

摩根說(shuō)：“因此，當(dāng)我們觀察到緩慢的松弛時(shí)，要么意味著我們對(duì)蛋白質(zhì)的定義是錯(cuò)誤的，要么必須存在另一種機(jī)制。”

此外，研究人員發(fā)現(xiàn)，通過(guò)使拉伸的蛋白質(zhì)放松，然后在其沒(méi)有完全松弛的機(jī)會(huì)之前以較小的力將其再次拉伸，研究人員發(fā)現(xiàn)該蛋白質(zhì)“記住”了其先前的拉伸-如預(yù)期的那樣，以更大的力開始伸長(zhǎng)，但最終緩慢用更少的力再次放松，如預(yù)期的那樣，然后隨時(shí)間慢慢放松。摩根解釋說(shuō)，從概念上講，蛋白質(zhì)伸展的時(shí)間越長(zhǎng)，放松所花費(fèi)的時(shí)間就越長(zhǎng)，因此它“記住”了被拉動(dòng)的時(shí)間。

為了解釋這些出乎意料的玻璃狀行為，研究人員從一些相當(dāng)平凡的物體中汲取了靈感：弄皺的紙和記憶泡沫。兩種結(jié)構(gòu)無(wú)序的系統(tǒng)，在受到力后都表現(xiàn)出相似的緩慢，對(duì)數(shù)松弛，特別是在泡沫的情況下，具有“記憶”效應(yīng)。

對(duì)于研究人員而言，這些行為表明，像記憶泡沫和弄皺的紙一樣，蛋白質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)也不是單個(gè)固定單元之一，而是對(duì)強(qiáng)度和弱點(diǎn)具有一定強(qiáng)度范圍的幾種獨(dú)立子結(jié)構(gòu)之一沿不同的時(shí)間長(zhǎng)度施加在材料上的力的范圍。例如，堅(jiān)固的結(jié)構(gòu)在被拉開之前可能會(huì)承受一定的應(yīng)變，并且是第一個(gè)松弛的結(jié)構(gòu)，而堅(jiān)固的結(jié)構(gòu)將以較小的力拉伸并需要更長(zhǎng)的松弛時(shí)間。

基于這種多重亞結(jié)構(gòu)的概念并得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的證實(shí)，研究人員確定該蛋白質(zhì)的對(duì)數(shù)弛豫速率與拉伸力成反比。

Saleh解釋說(shuō)：“ 施加于無(wú)序蛋白質(zhì)的拉伸力越強(qiáng)，在相同的時(shí)間內(nèi)蛋白質(zhì)松弛的程度就越大。”

摩根說(shuō)：“具有類似結(jié)構(gòu)安排的機(jī)械無(wú)序系統(tǒng)往往非常耐用。” “它們還具有不同的機(jī)械性能，具體取決于您對(duì)它們施加的拉力和壓縮程度。這使它們非常靈活，具體取決于力的大小和頻率。” 摩根說(shuō)，了解這種適應(yīng)能力背后的結(jié)構(gòu)可以為將來(lái)的動(dòng)態(tài)材料打開大門，就像大腦一樣，可以幫助他們過(guò)濾掉不重要的信息，并使它們更有效地存儲(chǔ)重復(fù)的刺激。