Бангалорские ученые помогают найти новый тип молекулярного двигателя

Анупам Сингх, исследователь из NCBS, использует инструмент в рамках исследования. | Кредит Фотографии: Анупам Сингх/Специальная договоренность

Международная группа исследователей, в том числе из Национального центра биологических наук (NCBS) в Бангалоре, сообщила о новом типе молекулярного двигателя. Открытие, важное само по себе, также открывает двери для ранее непредвиденных клеточных процессов и потенциальных применений в биологии и медицине.

Их бумага была опубликовано в Физика природы 4 мая.

Что такое молекулярный двигатель?

Каждая клетка тела представляет собой сложную смесь электрохимических реакций, производящих энергию, но ее недостаточно. Клетки также должны перемещать вещи, например, сближать две органеллы, перемещать груз к ядру и от него и обеспечивать движение молекул внутри клеток.

Многие из этих действий управляются молекулярными двигателями, которые используют биохимическую энергию для выполнения механической работы.

«Нарушение или нарушение регуляции этих процессов может привести к пагубным последствиям, которые могут проявляться в виде различных заболеваний», — сказал в электронном письме Сайкат Чоудхури, старший научный сотрудник Центра клеточной и молекулярной биологии CSIR в Хайдарабаде. Он не участвовал в новом исследовании.

В бумага 2016 г., исследователи из Австралии и Германии сообщили, что когда фермент, называемый Rab5, связывается с длинным белком, называемым EEA1, белок теряет свою тугую и жесткую форму и становится гибким. Этот «коллапс» сближает две мембраны внутри клетки.

Что обнаружило новое исследование?

В новом исследовании исследователи сообщили, что EEA1 восстанавливает свою жесткую форму с помощью другого механизма, так что он может снова стать гибким, чтобы сблизить мембраны, создавая новый тип молекулярного двигателя, состоящего из двух частей.

На момент публикации статьи 2016 года было неясно, сможет ли EEA1 восстановить свою жесткую форму, чтобы весь процесс мог повториться без помощи других белков.

Исследователи пришли к выводу, что он должен был принять более жесткую форму, потому что EEA1 работает на тысячах мембран, и создание молекулы размером с белок для каждой пары мембран было бы расточительным.

При длине более 200 нм EEA более чем в 100 раз длиннее обычных белков.

«Давний вопрос в этой области заключается в том, как молекулы, подобные EEA1, возвращаются к своей удлиненной конформации»; По словам доктора Чоудхури, новое исследование впервые поднимает этот вопрос.

NCBS и Ко. группа сообщила, что EEA1 получает энергию из реакции, называемой гидролизом GTP, чтобы снова стать жестким. Гидролиз GTP опосредуется ферментами, называемыми GTPases. Rab5 является одним из таких.

«Благодаря повсеместному сочетанию малых ГТФаз с такими длинными молекулами в эукариотических клетках мы полагаем, что это станет новым классом молекулярных машин, которые работают как двигатели уникальным образом и с новыми коллективными эффектами», — говорит Шаши Тутупалли, соавтор исследования. исследования, говорится в электронном письме.

Доктор Тутупалли работает в Центре Саймонса по изучению живых машин, NCBS. Его сотрудники работают в Институте молекулярной клеточной биологии и генетики им. Макса Планка и в Кластере передового опыта в физике жизни Дрезденского технического университета (оба в Германии).

Почему открытие важно?

Они сообщили о нескольких новшествах в своих выводах. Двигатель не производит возвратно-поступательного движения, подобного рычагу, как большинство двигателей, но позволяет молекуле изменять свою гибкость между двумя состояниями. Кроме того, большинство молекулярных двигателей получают энергию от другой молекулы, называемой АТФ, тогда как двигатель Rab5-EEA1 использует GTP.

«Почти все другие моторы, которые мы знаем, «ходят»: они движутся в одном направлении», — сказал доктор Тутупалли, тогда как «этот мотор… складывается и снова вытягивается в одном и том же месте».

EEA1 может иметь одну из нескольких триллионов форм, когда он гибкий, но он может иметь только одну (стержнеобразную) форму, когда он жесткий. Гибкое состояние имеет большую энтропию и, таким образом, является «энтропийно предпочтительным», по словам доктора Тутупалли. Поэтому, когда он переходит от жесткого к гибкому, он оказывает энтропийную силу на мембраны, которые тянет.

«Ни один другой двигатель не использует эту силу».

Каковы потенциальные области применения?

Выяснить, как отдельная молекула движется внутри клетки, сложно, но доктор Тутупалли сказал, что двое студентов, Анупам Сингх и Джоан Антони Солер, нашли «хитрый» способ. Вместо того, чтобы пытаться изучить весь белок, они прикрепили небольшую флуоресцентную молекулу к одному концу EEA1, «как муха на вершине Кутб-Минар».

Затем они использовали спектроскопию корреляции флуоресценции, чтобы проследить, как флуоресцентная молекула двигалась при взаимодействии Rab5 и EEA1.

Они объединили эти наблюдения с концепцией механики, которая позволяет инженерам вычислять жесткость объекта, наблюдая только за одним концом.

«Это исследование имеет отношение не только к пониманию слияния мембран с помощью EEA1, но также обеспечивает общий механизм, применимый для многих таких механохимических белков или сборок, которые используют химическую энергию гидролиза нуклеотидов для механической работы в клетке», — сказал доктор Чоудхури.