Нов механичен модел разкрива как прионите предизвикват верижна реакция от неправилно сгънати протеини и предлага нови насоки за медицински и инженерни иновации.
Прионите – необичайни белтъчни структури, способни да променят формата си и да „заразява“ други протеини – отдавна предизвикват интерес както заради връзката им с тежки мозъчни заболявания, така и поради загадъчната си биологична роля. Болести като Кройцфелд-Якоб при хората и спонгиформна енцефалопатия при добитъка са само част от последствията от тяхното въздействие. Но също така прионите играят роля в механизмите на паметта при мишките и оцеляването на дрождите.
Доскоро изследването им бе ограничено от липсата на практически компютърни и физически модели, чрез които да се изследва тяхното поведение. Това се променя с ново проучване на екип от Университета на Пенсилвания, което представя прост, но мощен механичен модел, вдъхновен от поведението на прионите.
Домино ефект от пет пръта
Изследването, публикувано в научното списание Newton, представя опростена механична система, съставена от пет пръта, която симулира процеса на прионна трансформация. При този модел, една единица с „дефектна“ форма може да предизвика промяна във формата на съседните елементи – аналогично на биологичното поведение на прионите. Ефектът се разпространява като домино по веригата – с характерна каскада, която напомня за разпространението на болестотворни приони в мозъчната тъкан.
„Този вид процес на усилване е изключително полезен – не само за биологията, но и за системи като квантова обработка“, казва водещият автор Матьо Уелет, наскоро защитил докторат по квантова инженерия. „Фактът, че постигнахме стабилен и работещ модел с помощта на принтер, пластмаса и няколко магнита, говори много за потенциала на този подход.“
Биология, сведена до физика
Според Кийрън Мърфи, съавтор и постдокторант в лабораторията по сложни системи, същността на изследването се крие именно в опростяването: „Ние свеждаме биохимията до геометрия и физика. Това ни позволява да разглеждаме прионите по нов начин – без сложни биохимични процеси, а с чиста механика.“
След създаването на симулационен модел от пружини и панти, екипът преминава към физическо изграждане. Резултатът е 3D-отпечатан механичен прототип, който успешно демонстрира трансформацията на здрави единици в прионоподобна форма след активиране на системата.
От физичен модел към медицински приложения
Това откритие не просто обогатява разбирането за поведението на прионите. То може да има реални последици за медицината. „Разбирането на физиката на прионите може да доведе до нови стратегии за ограничаване на тяхното въздействие при болести като Паркинсон и Кройцфелд-Якоб“, отбелязва Мърфи. Същевременно, моделът отваря врати към създаване на синтетични материали, способни да се самосглобяват или разглобяват под влияние на контролирани сигнали – нещо безценно в модерното инженерство.
Вдъхновени от научната фантастика
Интересът на Уелет към прионите е провокиран от романа „Кошницата на котките“ на Кърт Вонегът. Там се описва „Лед девет“ – измислен кристал, който кара всяка капка вода, до която се докосне, да замръзне. Аналогията с прионите е очевидна и вдъхновява екипа да създаде механична система със същото поведение – саморазпространяваща се трансформация.
В перспектива: към клетъчния мащаб
Макар моделът да работи в макромащаб, следващата цел на екипа е миниатюризация. Изследователите планират да свият системата с няколко порядъка, за да доближат механиката до реалния клетъчен мащаб. Това може да отвори нови възможности за изучаване на прионното поведение в реални биологични среди.
„Миниатюризирайте го, добавете още измерения, интегрирайте чувствителни полимери – всяка стъпка към биологията ни доближава до истинската цел, а всяка стъпка към опростяване дава нови инструменти на инженерите“, заключава Уелет.
DOI: 10.1016/j.newton.2025.100098
Източник: Phys.org
