Shkencëtarët zbulojnë një sistem të ri të “motorëve molekularë”

Qelizat zotërojnë një aftësi të jashtëzakonshme për të organizuar brendësinë e tyre duke përdorur makina proteinike të vogla të njohura si motorë molekularë, të cilët gjenerojnë lëvizje të drejtuar. Shumica e motorëve molekularë mbështeten në një formë të zakonshme të energjisë kimike, ATP, për të funksionuar. Kohët e fundit, një ekip studiuesish nga Instituti Max Planck i Biologjisë Qelizore Molekulare dhe Gjenetikës (MPI-CBG), Grupi i Përsosmërisë së Fizikës së Jetës (PoL), Qendra Bioteknologjike (BIOTEC) e TU Dresden dhe Qendra Kombëtare për Biologjike Sciences (NCBS) në Indi zbuloi një sistem të ri molekular që përdor një burim alternativ energjie dhe përmban një mekanizëm të ri për ekzekutimin e detyrave mekanike.

Ky motor molekular, i cili funksionon në mënyrë të ngjashme me një motor tradicional Stirling përmes tkurrjes dhe zgjerimit të përsëritur, ndihmon në shpërndarjen e ngarkesës në organelet e lidhura me membranë. Është motori i parë që përdor dy komponentë, dy proteina me madhësi të ndryshme, Rab5 dhe EEA1, dhe drejtohet nga GTP në vend të ATP. Gjetjet u botuan së fundmi në revistën Nature Physics.

Proteinat motorike janë makina të jashtëzakonshme molekulare brenda një qelize që konvertojnë energjinë kimike, të ruajtur në një molekulë të quajtur ATP, në punë mekanike. Shembulli më i spikatur është miozina e cila ndihmon muskujt tanë të lëvizin. Në të kundërt, GTPazat të cilat janë proteina të vogla nuk janë parë si gjenerues të forcës molekulare. Një shembull është një motor molekular i përbërë nga dy proteina, EEA1 dhe Rab5.

Në vitin 2016, një ekip ndërdisiplinor i biologëve dhe biofizikanëve qelizor në grupet e drejtorëve të MPI-CBG, Marino Zerial dhe Stephan Grill dhe kolegëve të tyre, duke përfshirë udhëheqësin e grupit kërkimor PoL dhe BIOTEC, Marcus Jahnel, zbuluan se proteina e vogël GTPase Rab5 mund të shkaktojë një tkurrje në EEA1. Këto proteina lidhëse në formë vargu mund të njohin proteinën Rab5 të pranishme në një membranë vezikulare dhe të lidhen me të.

Lidhja e Rab5 shumë më të vogël dërgon një mesazh përgjatë strukturës së zgjatur të EEA1, duke rritur kështu fleksibilitetin e tij, ngjashëm me mënyrën sesi gatimi i zbut spagetit. Një ndryshim i tillë fleksibiliteti prodhon një forcë që e tërheq vezikulën drejt membranës së synuar, ku ndodh ankorimi dhe shkrirja. Sidoqoftë, ekipi gjithashtu hipotezoi se EEA1 mund të kalonte midis një gjendje fleksibël dhe të ngurtë, të ngjashme me një lëvizje motorike mekanike, thjesht duke ndërvepruar vetëm me Rab5.

Këtu fillon kërkimi aktual, duke marrë formë nëpërmjet punës së doktoraturës së dy autorëve të parë të studimit. Joan Antoni Soler nga grupi kërkimor i Marino Zerial në MPI-CBG dhe Anupam Singh nga grupi i Shashi Thutupalli, një biofizikan në Qendrën Simons për Studimin e Makinave të Jetës në NCBS në Bangalore, u nisën për të vëzhguar eksperimentalisht këtë motor në veprim.

Me një dizajn eksperimental për të hetuar dinamikën e proteinës EEA1 në mendje, Anupam Singh kaloi tre muaj në MPI-CBG në 2019. “Kur takova Joan, i shpjegova idenë e matjes së dinamikës së proteinave të EEA1. Por këto eksperimente kërkonin modifikime specifike të proteinës që lejonin matjen e fleksibilitetit të saj bazuar në ndryshimet strukturore të saj, “thotë Anupam.

Ekspertiza e Joan Antoni Soler në biokiminë e proteinave ishte një përshtatje e përkryer për këtë detyrë sfiduese. “Isha i kënaqur kur mësova se qasja për të karakterizuar proteinën EEA1 mund të përgjigjet nëse EEA1 dhe Rab5 formojnë një motor me dy komponentë, siç dyshohej më parë. Kuptova se vështirësitë në marrjen e molekulave të sakta mund të zgjidheshin duke modifikuar proteinën EEA1 për të lejuar që fluoroforet të ngjiteshin në rajone të veçanta proteinike. Ky modifikim do ta bënte më të lehtë karakterizimin e strukturës së proteinave dhe ndryshimet që mund të ndodhin kur ajo ndërvepron me Rab5,” shpjegon Joan Antoni.

Të armatosur me molekulat e përshtatshme të proteinave dhe mbështetjen e vlefshme të bashkëautores Janelle Lauer, një studiuese e lartë postdoktorale në grupin kërkimor të Marino Zerial, Joan dhe Anupam ishin në gjendje të karakterizonin dinamikën e EEA1 tërësisht duke përdorur mikroskopët e avancuar të skanimit me lazer të ofruar nga mikroskopi i dritës. objektet në MPI-CBG dhe NCBS. Në mënyrë të habitshme, ata zbuluan se proteina EEA1 mund t’i nënshtrohej cikleve të shumta të tranzicionit të fleksibilitetit, nga e ngurtë në fleksibël dhe përsëri, e nxitur vetëm nga energjia kimike e çliruar nga ndërveprimi i saj me GTPase Rab5. Këto eksperimente treguan se EEA1 dhe Rab5 formojnë një motor me dy komponentë të drejtuar nga GTP.

Për të interpretuar rezultatet, Marcus Jahnel, një nga autorët përkatës dhe drejtuesi i grupit kërkimor në PoL dhe BIOTEC, zhvilloi një model të ri fizik për të përshkruar bashkimin midis hapave kimikë dhe mekanikë në ciklin e motorit. Së bashku me Stephan Grill dhe Shashi Thutupalli, biofizikanët ishin gjithashtu në gjendje të llogaritnin efikasitetin termodinamik të sistemit të ri motorik, i cili është i krahasueshëm me atë të proteinave motorike konvencionale të drejtuara nga ATP.

“Rezultatet tona tregojnë se proteinat EEA1 dhe Rab5 punojnë së bashku si një sistem motorik molekular me dy komponentë që mund të transferojë energjinë kimike në punën mekanike. Si rezultat, ata mund të luajnë role mekanike aktive në trafikimin e membranës. Është e mundur që mekanizmi motorik molekular që gjeneron forcë mund të ruhet nëpër molekula të tjera dhe të përdoret nga disa ndarje të tjera qelizore, “përmbledh studimin Marino Zerial.

Marcus Jahnel shton: “Jam i kënaqur që më në fund mund të testonim idenë e një motori EEA1-Rab5. Është e mrekullueshme ta shohësh atë të konfirmuar nga këto eksperimente të reja. Shumica e motorëve molekularë përdorin një lloj të zakonshëm të karburantit celular të quajtur ATP. GTP-azat e vogla konsumojnë një lloj tjetër karburanti, GTP, dhe janë menduar kryesisht si molekula sinjalizuese. Fakti që ata gjithashtu mund të drejtojnë një sistem molekular për të gjeneruar forca dhe për të lëvizur gjërat, i vendos këto molekula të bollshme në një dritë të re interesante.”

Stephan Grill është po aq i emocionuar: “Është një klasë e re e motorëve molekularë! Ky nuk lëviz si motori kinesin që transporton ngarkesën përgjatë mikrotubulave, por kryen punë ndërsa qëndron në vend. Është paksa si tentakulat e një oktapodi.”

“Modeli që kemi përdorur është frymëzuar nga ai i ciklit klasik të motorit Stirling. Ndërsa motori tradicional Stirling gjeneron punë mekanike duke zgjeruar dhe ngjeshur gazin, motori me dy komponentë i përshkruar përdor proteinat si substrat pune, me ndryshime në fleksibilitetin e proteinave që rezultojnë në gjenerimin e forcës. Si rezultat, ky lloj mekanizmi hap mundësi të reja për zhvillimin e motorëve me proteina sintetike”, shton Shashi Thutupalli.

Në përgjithësi, autorët shpresojnë se ky studim i ri ndërdisiplinor mund të hapë rrugë të reja kërkimore si në biologjinë qelizore molekulare ashtu edhe në biofizikë.