X - r a y D i f f r a c t i o n P a t t e r n R e c o r d e d f r o m a S i n g l e M y o f i b r i l o f M u s c l e M u s c l e c o n t r a c t i o n i s c a u s e d b y t h e i n t e r a c t i o n b e t w e e n t w o m a j o r c o n t r a c t i l e p r o t e i n s , m y o s i n a n d a c t i n , w i t h i n m u s c l e c e l l s . I n s t r i a t e d m u s c l e , t h e s e p r o t e i n s a r e p o l y m e r i z e d a n d f o r m f i l a m e n t s w i t h r e g u l a r h e l i c a l r e p e a t s , a n d t h e s e f i l a m e n t s a r e i n t u r n a r r a n g e d i n a r e g u l a r h e x a g o n a l l a t t i c e . B e c a u s e o f t h i s a r c h i t e c t u r e , a s t r i a t e d m u s c l e g i v e s r i s e t o a n u m b e r o f s t r o n g r e f l e c t i o n s w h e n i r r a d i a t e d w i t h X - r a y b e a m , m a k i n g X - r a y d i f f r a c t i o n m e t h o d a p o w e r f u l t o o l t o s t u d y t h e m o l e c u l a r m e c h a n i s m o f m u s c l e c o n t r a c t i o n . T h e s t r u c t u r e o f a s t r i a t e d m u s c l e i s s h o w n i n F i g . 1 . A s t r i a t e d m u s c l e i s m a d e o f m a n y m u s c l e c e l l s ( d i a m e t e r , 5 0 - 1 0 0 μ m ; l e n g t h , m i l l i m e t e r s t o c e n t i m e t e r s ) . E a c h m u s c l e c e l l c o n t a i n s t h o u s a n d s o f m y o f i b r i l s ( d i a m e t e r , 1 - 3 μ m ) . A m y o f i b r i l i s m a d e o f 2 - 3 μ m - l o n g s a r c o m e r e s ( m i n i m a l f u n c t i o n a l u n i t o f m u s c l e ) c o n n e c t e d i n s e r i e s . A s a r c o m e r e c o n t a i n s a s i n g l e h e x a g o n a l l a t t i c e o f p r o t e i n f i l a m e n t s a s d e s c r i b e d a b o v e . T h e s t r o n g e s t r e f l e c t i o n s o f m u s c l e , c a l l e d e q u a t o r i a l r e f l e c t i o n s , o r i g i n a t e f r o m t h e h e x a g o n a l a r r a n g e m e n t o f f i l a m e n t s . S i n c e a m u s c l e c o n t a i n s a n e n o r m o u s n u m b e r o f m y o f i b r i l s w i t h r a n d o m l a t t i c e o r i e n t a t i o n s , t h e r e c o r d e d d i f f r a c t i o n p a t t e r n i s b a s i c a l l y a r o t a r y - a v e r a g e d “ p o w d e r d i f f r a c t i o n p a t t e r n ( a d i f f r a c t i o n p a t t e r n t h a t w o u l d b e r e c o r d e d f r o m g r o u n d p o w d e r o f m i n e r a l c r y s t a l s ) ” , f r o m w h i c h i n f o r m a t i o n a b o u t t h e l a t t i c e p l a n e o r i e n t a t i o n s i s l o s t . T h i s p r o b l e m c a n n o t b e s o l v e d b y t h e u s e o f a s i n g l e m u s c l e c e l l , s i n c e i t s t i l l c o n t a i n s a l a r g e n u m b e r o f m y o f i b r i l s . T h e o n l y s o l u t i o n t o p r e s e r v e t h a t c r u c i a l i n f o r m a t i o n i s t o r e c o r d d i f f r a c t i o n p a t t e r n s f r o m a s i n g l e m y o f i b r i l , w h i c h i s o n l y 1 / 1 0 0 0 b y v o l u m e o f a m u s c l e c e l l , t h e s m a l l e s t m u s c l e s p e c i m e n w h i c h h a s b e e n u s e d f o r X - r a y d i f f r a c t i o n s t u d i e s . T h e s t r a t e g y w a s n o t t o i s o l a t e a s i n g l e m y o f i b r i l f r o m a m u s c l e c e l l , b u t t o g e n e r a t e X - r a y m i c r o b e a m s b y u s i n g a p a i r o f p i n h o l e s ( d i a m e t e r , 2 μ m ) a n d t o s h o o t a t a s i n g l e m y o f i b r i l w i t h i n a m u s c l e c e l l w i t h o u t i s o l a t i n g i t ( F i g . 2 ) . U n l i k e i n c o n v e n t i o n a l r e c o r d i n g , t h e m u s c l e c e l l w a s i r r a d i a t e d e n d - o n s o t h a t t h e b e a m w o u l d p a s s t h r o u g h o n l y o n e m y o f i b r i l m y o f i b r i l s a r c o m e r e w h o l e m u s c l e h e x a g o n a l l a t t i c e o f f i l a m e n t s m u s c l e c e l l ( m u s c l e f i b e r ) m y o f i b r i l f i l a m e n t a c t i n f i l a m e n t i f i d e a l l y a l i g n e d . A s a m a t e r i a l , t h e f l i g h t m u s c l e o f a n i n s e c t ( b u m b l e b e e ) w a s c h o s e n b e c a u s e i t s m y o f i b r i l s w e r e w e l l s e p a r a t e d f r o m e a c h o t h e r a n d i t s f i l a m e n t l a t t i c e s w e r e o f c r y s t a l q u a l i t y . F i g u r e 3 s h o w s r e p r e s e n t a t i v e d i f f r a c t i o n p a t t e r n s f r o m t h e i n s e c t f l i g h t m u s c l e [ 1 ] r e c o r d e d i n t h i s w a y a t b e a m l i n e B L 4 5 X U [ 2 ] . T h e p a t t e r n o b t a i n e d w i t h 5 0 - μ m p i n h o l e s c o n s i s t s o f a n u m b e r o f c o n c e n t r i c c i r c l e s t y p i c a l o f p o w d e r d i f f r a c t i o n , s i n c e t h e r e a r e s t i l l m a n y m y o f i b r i l s i n t h e b e a m - p a t h F i g . 1 . S t r u c t u r e o f v e r t e b r a t e s t r i a t e d m u s c l e . 21 F i g . 2 . S c h e m a t i c d i a g r a m o f r e c o r d i n g a n e n d - o n d i f f r a c t i o n p a t t e r n f r o m a s i n g l e m y o f i b r i l i n a f l i g h t m u s c l e c e l l o f a b u m b l e b e e . ( F i g . 3 ( a ) ) . I f , o n t h e o t h e r h a n d , 2 - μ m p i n h o l e s a r e u s e d , t h e r e f l e c t i o n s a r e s p o t - l i k e a n d a r r a n g e d i n a h e x a g o n a l l y s y m m e t r i c a l f a s h i o n . T h e s e p a t t e r n s a r e w h a t i s e x p e c t e d f r o m a s i n g l e h e x a g o n a l l a t t i c e . T h e l a t t i c e p l a n e f r o m w h i c h e a c h r e f l e c t i o n o r i g i n a t e s c a n b e r e a d i l y i d e n t i f i e d . T h e m u s c l e c e l l s u s e d t o r e c o r d t h e d i f f r a c t i o n p a t t e r n s w e r e ~ 3 m m l o n g , a n d t h e w e l l - d e f i n e d s p o t - l i k e r e f l e c t i o n s m e a n t h a t t h e l a t t i c e s o f m o r e t h a n 1 0 0 0 s a r c o m e r e s w e r e e x a c t l y i n r e g i s t e r ; a 0 . 1 ° t w i s t i n e v e r y s a r c o m e r e w o u l d r e d u c e t h e p a t t e r n t o a p o w d e r d i f f r a c t i o n a s i n F i g . 3 ( a ) . T h i s e x t r a o r d i n a r y r e g i s t e r o f f i l a m e n t l a t t i c e c o u l d b e b e n e f i c i a l i n t r a n s m i t t i n g f o r c e e f f e c t i v e l y i n t h e f l i g h t m u s c l e o f t h e i n s e c t , w h i c h e x h i b i t s s o p h i s t i c a t e d f l i g h t m a n e u v e r . T h e p r e s e n t r e s u l t s r e p r e s e n t t h e f i r s t e x a m p l e o f X - r a y d i f f r a c t i o n r e c o r d i n g f r o m m i c r o m e t e r - s i z e d h y d r a t e d , f u n c t i o n a l p r o t e i n a s s e m b l i e s w i t h i n a c e l l . C e l l s c o n t a i n a v a r i e t y o f r e g u l a r p r o t e i n a s s e m b l i e s o t h e r t h a n m y o s i n - a c t i n c o n t r a c t i l e m a c h i n e r y , a n d t h e s u c c e s s o f t h e p r e s e n t r e c o r d i n g o p e n s t h e p o s s i b i l i t y t h a t X - r a y d i f f r a c t i o n t e c h n i q u e c a n a l s o b e a p p l i e d t o s t u d y t h e s t r u c t u r e o f t h e s e m i n u t e c e l l u l a r p r o t e i n a s s e m b l i e s . H i r o y u k i I w a m o t o S P r i n g - 8 / J A S R I E - m a i l : i w a m o t o @ s p r i n g 8 . o r . j p R e f e r e n c e s [ 1 ] H . I w a m o t o , Y . N i s h i k a w a , J . W a k a y a m a a n d T . F u j i s a w a , B i o p h y s . J . 8 3 ( 2 0 0 2 ) 1 0 7 4 . [ 2 ] T . F u j i s a w a e t a l . , J . A p p l . C r y s t . 3 3 ( 2 0 0 0 ) 7 9 7 . F i g . 3 . E n d - o n d i f f r a c t i o n p a t t e r n s r e c o r d e d f r o m b u m b l e b e e f l i g h t m u s c l e . ( a ) A p a t t e r n r e c o r d e d w i t h 5 0 μ m p i n h o l e s . ( b , c ) P a t t e r n s r e c o r d e d w i t h 2 - μ m p i n h o l e s . T h e n u m b e r s i n d i c a t e t h e c r y s t a l l o g r a p h i c i n d i c e s o f l a t t i c e p l a n e s . b u m b l e b e e d i f f r a c t i o n p a t t e r n X - r a y m i c r o b e a m 22
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