Forskere afslører struktur og funktion af en molekylær motor

Molekylær motorer er komplekse enheder sammensat af mange forskellige dele, der forbruger energi til at udføre forskellige cellulære aktiviteter. Kort sagt omdanner molekylære maskiner energi til nyttigt arbejde. Forståelse af de mekaniske aspekter, der ligger til grund for disse motorer, begynder med at generere en detaljeret beskrivelse af deres overordnede arkitektur og atomare organisation. For at afdække kernemekanismerne, der aktiverer disse motorer, er det imidlertid vigtigt at afkode al den molekylære dynamik i atomare detaljer.

Nu afslører forskerholdet af Thomas C. Marlovits fra Center for Structural Systems Biology CSSB ved DESY og University Medical Center Hamburg-Eppendorf (UKE) i Hamborg arkitekturen, den komplette funktionelle cyklus og mekanismen for en sådan molekylær motor. De rapporterer i tidsskriftet Nature , hvordan et "RuvAB branch migration complex" omdanner kemisk energi til mekanisk arbejde for at udføre rekombination og reparation af DNA.

DNA-rekombination er en af ​​de mest fundamentale biologiske processer i levende organismer. Det er den proces, hvorved kromosomer "bytter" DNA enten for at generere genetisk diversitet, ved at skabe nyt afkom, eller for at opretholde genetisk integritet, ved at reparere brud i eksisterende kromosomer. Under DNA-rekombination adskilles fire DNA-arme fra deres dobbelthelix-formationer og slutter sig sammen ved et skæringspunkt kendt som et Holliday-kryds. Her udveksler DNA-armene strenge i en proces, der kaldes aktiv grenmigrering.

Den essentielle energi, der er nødvendig for, at denne grenmigrering kan finde sted, kommer fra et molekylært maskineri, som videnskabsmænd har mærket som RuvAB-grenmigreringskomplekset. Dette kompleks samles omkring Holliday-krydset og er lavet af to motorer mærket RuvB AAA+ ATPaser, der giver næring til reaktionen, og en RuvA-stator. Forskerholdet har nu leveret en indviklet plan, der forklarer, hvordan RuvB AAA+-motorerne arbejder under reguleringen af ​​RuvA-proteinet for at udføre synkroniseret DNA-bevægelse.

De aktive grenmigrationer, der aktiveres af RuvB AAA+ motormolekylet, er meget hurtige og meget dynamiske. For at bestemme de individuelle trin i denne proces brugte forskerne tidsopløst kryoelektronmikroskopi til at observere motorens maskineri i slowmotion. "Vi forsynede dybest set RuvB AAA+-motoren med et langsommere brændende brændstof, som gjorde det muligt for os at fange de biokemiske reaktioner, efterhånden som de opstår," forklarer Marlovits.

Forskeren fangede over ti millioner billeder af motormaskineriet, der interagerer med Holliday-krydset. Jiri Wald (CSSB, UKE og en del af Vienna BioCenter Ph.D. Program), avisens første forfatter, finkæmpede den enorme mængde data og klassificerede omhyggeligt de subtile ændringer, der opstod i hvert billede. Ved at bruge den højtydende computerfacilitet hos DESY var forskerne derefter i stand til at sætte alle puslespilsbrikkerne sammen for at generere en film i høj opløsning, der beskriver, hvordan RuvAB-komplekset fungerer på molekylær skala.

"Vi var i stand til at visualisere syv forskellige tilstande af motoren og demonstrere, hvordan de indbyrdes forbundne elementer arbejder sammen på en cyklisk måde," forklarer Wald. "Vi demonstrerede også, at RuvB-motoren omdanner energi til en løftestangsbevægelse, som genererer den kraft, der driver grenmigrering. Vi var forbløffede over opdagelsen af, at motorerne bruger en grundlæggende løftestangsmekanisme til at flytte DNA-substratet. Samlet set er den sekventielle mekanisme, koordination og kraftgenereringsmåden for RuvAB-motoren deler konceptuelle ligheder med forbrændingsmotorer."

AAA+-motorer bruges ofte i andre biologiske systemer, såsom proteintransport, derfor kan denne detaljerede model af RuvB AAA+-motoren bruges som en plan for lignende molekylære motorer. "Vi forstår, hvordan motoren fungerer, og nu kan vi sætte denne motor ind i et andet system med nogle mindre tilpasninger," forklarer Marlovits. "Vi præsenterer grundlæggende kerneprincipper for AAA+ motorer."

Marlovits-gruppens fremtidige arbejde vil undersøge måder, hvorpå man kan forstyrre funktionen af ​​AAA+-motorer. Dette kunne danne grundlag for udviklingen af ​​en ny generation af lægemidler, som ville forstyrre mekanismerne i en sådan motor i patogener og dermed standse spredningen af ​​infektion. "Vi er spændte på at udforske de muligheder, der eksisterer nu, hvor vi har en blåkopi af RuvB AAA+ motoren," bemærker Wald. + Udforsk yderligere

Første elektriske nanomotor lavet af DNA-materiale