Biokemikere fanger og visualiserer et enzym, når det bliver aktivt

Hvordan fanger du en cellulær proces, der sker på et øjeblik? Biokemikere på MIT har udtænkt en måde at fange og visualisere et vitalt enzym på i øjeblikket, hvor det bliver aktivt - informere lægemiddeludvikling og afsløre, hvordan biologiske systemer lagrer og overfører energi.

Enzymet, ribonukleotidreduktase (RNR), er ansvarlig for at konvertere RNA -byggesten til DNA -byggesten, for at bygge nye DNA -tråde og reparere gamle. RNR er et mål for behandling mod kræft, samt lægemidler, der behandler virussygdomme som HIV/AIDS. Men i årtier, forskere kæmpede for at bestemme, hvordan enzymet aktiveres, fordi det sker så hurtigt. Nu, for første gang, forskere har fanget enzymet i dets aktive tilstand og observeret, hvordan enzymet ændrer form, bringe sine to underenheder tættere sammen og overføre den energi, der er nødvendig for at producere byggestenene til DNA -samling.

Inden denne undersøgelse, mange troede, at RNR's to underenheder kom sammen og passede med perfekt symmetri, som en nøgle i en lås. "I 30 år, det var hvad vi troede, "siger Catherine Drennan, en MIT -professor i kemi og biologi og en Howard Hughes Medical Institute -efterforsker. "Men nu, vi kan se, at bevægelsen er meget mere elegant. Enzymet udfører faktisk en 'molekylær kvadratdans, 'hvor forskellige dele af proteinet kroger sig fast og svinger rundt om andre dele. Det er virkelig ret smukt. "

Drennan og JoAnne Stubbe, professor emerita i kemi og biologi ved MIT, er seniorforfatterne på undersøgelsen, som stod i tidsskriftet Videnskab den 26. marts Tidligere kandidatstuderende Gyunghoon "Kenny" Kang Ph.D. '19 er hovedforfatteren.

Alle proteiner, herunder RNR, er sammensat af grundlæggende enheder kendt som aminosyrer. I over et årti, Stubbes laboratorium har eksperimenteret med at erstatte RNR's naturlige aminosyrer med syntetiske. Derved, laboratoriet indså, at de kunne fange enzymet i dets aktive tilstand og bremse dets tilbagevenden til det normale. Imidlertid, det var ikke før Drennan-laboratoriet fik adgang til et vigtigt teknologisk fremskridt-kryo-elektronmikroskopi-at de kunne tage billeder i høj opløsning af disse "fangede" enzymer fra Stubbe-laboratoriet og se nærmere på.

"Vi havde virkelig ikke foretaget nogen kryo-elektronmikroskopi på det tidspunkt, hvor vi aktivt begyndte at forsøge at gøre det umulige:få strukturen af ​​RNR i sin aktive tilstand, "Siger Drennan." Jeg kan ikke tro, det fungerede; Jeg kniber mig stadig. "

Kombinationen af ​​disse teknikker tillod teamet at visualisere den komplekse molekylære dans, der gør det muligt for enzymet at transportere den katalytiske "ildkraft" fra den ene underenhed til den næste, for at generere DNA -byggesten. Denne ildkraft stammer fra en meget reaktiv uparret elektron (en radikal), som skal kontrolleres omhyggeligt for at forhindre skade på enzymet.

Ifølge Drennan, holdet "ønskede at se, hvordan RNR gør det tilsvarende at lege med ild uden at blive brændt."

Første forfatter Kang siger, at bremsning af den radikale overførsel gav dem mulighed for at observere dele af enzymet, som ingen havde kunnet se før fuldt ud. "Inden denne undersøgelse, vi vidste, at denne molekylære dans skete, men vi havde aldrig set dansen i aktion, "siger han." Men nu hvor vi har en struktur for RNR i dets aktive tilstand, vi har en meget bedre idé om, hvordan enzymets forskellige komponenter bevæger sig og interagerer for at overføre radikalen over lange afstande. "

Selvom denne molekylære dans bringer underenhederne sammen, der er stadig betydelig afstand mellem dem:Radikalen skal rejse 35-40 Ångstrøm fra den første underenhed til den anden. Denne rejse er cirka 10 gange længere end den gennemsnitlige radikale overførsel, ifølge Drennan. Radikalen skal derefter rejse tilbage til sit startsted og opbevares sikkert, alt inden for en brøkdel af et sekund, før enzymet vender tilbage til sin normale konformation.

Fordi RNR er et mål for lægemidler, der behandler kræft og visse vira, kendskab til dets aktive tilstandsstruktur kan hjælpe forskere med at udtænke mere effektive behandlinger. At forstå enzymets aktive tilstand kan også give indsigt i biologisk elektrontransport til applikationer som biobrændstoffer. Drennan og Kang håber, at deres undersøgelse vil opmuntre andre til at fange flygtige mobilhændelser, der tidligere har været svære at observere.

"Vi skal muligvis revurdere årtiers tidligere resultater, "Siger Drennan." Denne undersøgelse kunne åbne flere spørgsmål, end den besvarer; det er mere en begyndelse end en ende. "

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT -forskning, innovation og undervisning.