エンジニアリング人工ミオシンフィラメントを使用して明らかにされたモーターアンサンブルの機械的調整

筋肉のサルコメアは、厚いフィラメントに自己組織化し、密な、結晶性に近い六角形格子の周囲のアクチンベースの薄フィラメントと相互作用する数万のミオシンモーターで構成されています。一緒に、これらのアクチン - ミオシン相互作用により、筋肉の2つの主要な属性である大規模な動きと力生成が可能になります。孤立した繊維に関する研究は、筋肉の集合的特性についてかなりの洞察を提供していますが、アンサンブルでアクチン - ミオシンの相互作用がどのように調整されるかはあまり理解されていません。ここでは、DNAナノチューブ足場を使用して設計された人工ミオシンフィラメントが、モーター数、タイプ、間隔を正確に制御することを示しています。二量体ミオシンV-およびミオシンVIラベルナノチューブの両方を使用して、ミオシン密度も間隔も、アクチンフィラメントの滑空速度に大きな影響を与えないことがわかります。この観察結果は、個々の確率的イベントを緩衝して滑らかで連続的な動きをもたらすエネルギー貯留層としてのミオシンアンサンブルの単純なモデルをサポートしています。さらに、滑走速度はクロスブリッジコンプライアンスとともに増加しますが、ブラウン効果によって制限されています。筋肉の運動性を再構成するための最初のステップとして、DNAナノチューブ上のアクチンフィラメントのヒトβ-枢機inミオシン駆動型の滑走を示します。

The sarcomere of muscle is composed of tens of thousands of myosin motors that self-assemble into thick filaments and interact with surrounding actin-based thin filaments in a dense, near-crystalline hexagonal lattice. Together, these actin-myosin interactions enable large-scale movement and force generation, two primary attributes of muscle. Research on isolated fibres has provided considerable insight into the collective properties of muscle, but how actin-myosin interactions are coordinated in an ensemble remains poorly understood. Here, we show that artificial myosin filaments, engineered using a DNA nanotube scaffold, provide precise control over motor number, type and spacing. Using both dimeric myosin V- and myosin VI-labelled nanotubes, we find that neither myosin density nor spacing has a significant effect on the gliding speed of actin filaments. This observation supports a simple model of myosin ensembles as energy reservoirs that buffer individual stochastic events to bring about smooth, continuous motion. Furthermore, gliding speed increases with cross-bridge compliance, but is limited by Brownian effects. As a first step to reconstituting muscle motility, we demonstrate human β-cardiac myosin-driven gliding of actin filaments on DNA nanotubes.