Biophysics (e.g. transport mechanisms, bioenergetics, fluorescence) (Council of Medical and Biological Sciences)
70 %
Ortelius classification: Molecular biophysics
General biochemistry and metabolism (Council of Medical and Biological Sciences)
15 %
Ortelius classification: Enzimology
Molecular biology (Council of Medical and Biological Sciences)
15 %
Ortelius classification: Molecular markers and recognition
Panel
Molecular and Structural Biology and Biochemistry
Department or equivalent
Dept. of Biophysics and Radiation Biology (Semmelweis University)
Participants
Grama, László Huber, Tamás Karsai, Árpád Kengyel, András Kiss, Balázs Mártonfalvi, Zsolt Murvai, Csilla Ünige Nagy, Attila Szatmári, Dávid Zoltán
Starting date
2008-07-01
Closing date
2012-07-31
Funding (in million HUF)
23.397
FTE (full time equivalent)
15.11
state
closed project
Summary in Hungarian
Filamentális szupramolekuláris rendszerek biológiai jelentősége rendkívül nagy, azonban felépülésük pontos mechanizmusai és tulajdonságaik meghatározói máig sem pontosan ismertek. Az utóbbi néhány évben létrehoztunk egy innovatív és különleges nanobiotechnológiai és egyedi molekula biofizikai műszerparkot, mely segítségével egyedi molekulákat és filamentumokat tudunk manipulálni. A pályázati támogatással kutatócsoportomat a nanotechnológiai eszköztár köré szervezve tervezzük megvizsgálni biomolekuláris rendszerek felépülési és szerveződési mechanizmusait. Általános célunk citoszkeletális filamentumok szerkezetének, dinamikájának, mechanikájának és kölcsönhatásainak vizsgálata azzal a felismeréssel, hogy közös, általános mechanizmusok működhetnek szerveződésükben és tulajdonságaik meghatározásában. A fibrillogenezis kooperatív zippzár modelljét állítottuk fel, mely vélhetően a biológiai szupramolekuláris szerveződés általános molekuláris mechanizmusa lehet. Modellünket fontos biológiai szupramolekuláris rendszerek vizsgálatával teszteljük: az izom szarkomer és intermedier filamentumok. Kísérleteinkkel a szerveződés különböző szintjeit célozzuk meg egyedi molekuláktól szupramolekuláris rendszerekig. Egyedi-molekula metodikai megközelítésünk rendkívül innovatív és új, és más, alternatív módszerekkel nem vagy csak nehezen megközelítő problémák vizsgálatát teszi lehetővé.
Summary
Filamentous supramolecular systems are of utmost biological importance. However, the mechanisms of their assembly and determinants of their characteristics are not understood. In the past few years we established an innovative nanobiotechnology and single-molecule biophysics instrumentation base with which we are able to manipulate individual molecules and fibrils and explore fundamental mechanisms of their assembly and behavior. With the help of this grant proposal I plan to organize my research group around the nanobiotechnology toolbox to explore specific questions related to the assembly and organization of biomolecular filamentous systems. Our general aim is to explore the structure, dynamics, mechanics and interactions of cytoskeletal filaments with the realization that common mechanisms might be involved in their assembly and properties. Recently we proposed a cooperative zipper model of fibril mechanics, which may be a general mechanism in supramolecular biological organization. We plan to test the model by investigating important cytoskeletal systems: the muscle scarcomere and intermediate filaments. The experiments target different levels of system complexity, ranging from individual molecules to supramolecular assemblies. The experiments will be carried out by utilizing our nanobiotechnology and single-molecule approach, which represent highly innovative and cutting-edge methodologies that allow us to addresses otherwise difficult and challenging questions.
Final report
Results in Hungarian
Pályázatunkban a citoszkeletális fehérjék szerkezetét, dinamikáját, mechanikáját és köcsönhatásait vizsgáltuk elsősorban a harántcsíkolt izom különböző molekuláris rendszerein. Szintetikus miozin vastag filamentumok szerkezetét és nanomechanikáját atomerőmikroszkóppal (AFM) mértük. A titin Z-lemez horgonyzó komplex mechanikai stabilitását erőspektroszkópiával vizsgáltuk. Natív vázizom titin rugalmasságának és erővezérelt szerkezetváltozásainak vizsgálatára erővisszacsatolt lézercsipeszt fejlesztettünk. A titin PEVK domén konformációs dinamikáját FRET spektroszkópiával vizsgáltuk. A dezmin intermedier filamentumok és protofibrillumok szerkezetét és nanomechanikáját ugyancsak AFM-mel mértük meg. A szívizom típusú miozin-kötő C-fehérje molekuláris mechanikáját Monte-Carlo módszerrel szimuláltuk. Az aktomiozin motilitás pontosabb térbeli változásainak mérésére fluoreszcencia interferencia kontraszt (FLIC) mikroszkópia fejlesztését kezdtük meg. Az izommechanika organizmusban való mérésére speciális, AFM-alapú módszert dolgoztunk ki C. elegans rendszeren. A pályázat közvetlen támogatásával nyolc eredeti közlemény és egy könyvfejezet került publikálásra.
Results in English
In our project we investigated the structure, dynamics, mechanics and interactions of cytoskeletal proteins mainly on muscle-derived molecular systems. The structure and nanomechanics of myosin thick filaments were explored by using atomic force microscopy (AFM). The mechanical stability of the Z-disc titin-anchoring complex was measured with single-molecule force spectroscopy. In order to measure the elasticity and force-driven structural changes in native titin molecules with high resolution, we developed a fast force-clamp optical tweezers apparatus. The structural dynamics of titin PEVK domain fragments was measured by using FRET spectroscopy. The structure and nanomechanical behavior of desmin intermediate filaments and protofibrils were also measured with AFM. For the simulation of the force versus extension of cardiac myosin-binding protein-C we used Monte-Carlo methods. To reveal greater spatial detail in the in vitro actomyosin motility we began developing a fluorescence interference contrast (FLIC) microscope system. In order to investigate the actomyosin mechanics within an organism, we developed a novel, AFM-based detection method based on C. elegans. With the direct support of the grant eight original papers and one book chapter were published.
Brennan Decker and Miklós S.Z. Kellermayer: Periodically arranged interactions within the myosin filament backbone revealed by mechanical unzipping, J. Mol. Biol. 322, 307-310, 2008
Gretchen A. Meyer, Balázs Kiss, Samuel R. Ward, David L. Morgan, Miklós S.Z. Kellermayer, Richard L. Lieber.: Theoretical Predictions of the Effects of Force Transmission by Desmin on Skeletal Muscle Intersarcomere Dynamics, Biophys J 98, 258, 2010
Kollár, V., Szatmári, D., Grama, L. and Kellermayer, M.S.Z.: Dynamic strength of titin's Z-line end, J. Biomed. Biotechnol. doi:10.1155/2010/838530, 2010
Kiss, B., Röhlich, P. and Kellermayer, M.S.Z.: Structure and elasticity of desmin protofibrils explored with scanning force microscopy, Journal of Molecular Recognition, ID: 884382-770996, 2011
Várkuti BH, Yang Z, Kintses B, Erdélyi P, Bárdos-Nagy I, Kovács AL, Hári P, Kellermayer M, Vellai T, Málnási-Csizmadia A.: A novel actin binding site of myosin required for effective muscle contraction, Nature Struct Mol Biol 19(3):299-306, 2012
Pires, R.H., Saraiva, M.J., Damas, A.M. and Kellermayer, M.S.Z.: Structure and asembly-disassembly properties of wild-type transthyretin amyloid protofibrils observed with atomic force microscopy, Journal of Molecular Recognition 24, 467-476, 2011
Murvai, Ü., Soós, K., Penke, B. and Kellermayer, M.S.Z.: Effect of the beta-sheet-breaker peptide LPFFD on oriented network of amyloid ß25-35 fibrils, Journal of Molecular Recognition 24, 453-460, 2011
Kellermayer, M.S.: Combined atomic force microscopy and fluorescence microscopy., Methods. Mol. Biol. 736, 439-456, 2011
Ricardo H. Pires, Árpád Karsai, Maria J. Saraiva, Ana M. Damas, Miklós S. Z. Kellermayer: Distinct Annular Oligomers Captured Along the Assembly and Disassembly Pathways of Transthyretin Amyloid Protofibrils, PLoS One. In the press., 2012
Tamás Huber, László Grama, Csaba Hetényi, Gusztáv Schay, Lívia Fülöp, Botond Penke and Miklós S.Z. Kellermayer.: Conformational dynamics of titin PEVK explored with FRET spectroscopy, Biophysical Journal In the press, 2012
Miklós S.Z. Kellermayer, Árpád Karsai, Ünige Murvai, Szilvia Erdélyi-Bótor, József Kardos and Ricardo H. Pires: Single-molecule studies of amyloidogenic proteins, Biophysics for the Life Sciences, 2013
