Ciascuna delle nostre cellule è circondata da una membrana complessa che funge da confine biologico, lasciando che ioni e sostanze nutritive come il sale, potassio e zucchero dentro e fuori. Le guardie sono proteine ​​di membrana, che svolgono il duro lavoro di consentire o bloccare il traffico di queste molecole.

Stringhe di molecole d'acqua legate, chiamati fili d'acqua, svolgere un ruolo importante in questo processo che si pensava fosse ben compreso. Ora, un team del National High Magnetic Field Laboratory (MagLab), con sede presso la Florida State University, sta capovolgendo ipotesi decennali su come interagiscono effettivamente con le proteine.

Il loro articolo è stato pubblicato oggi nel Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze .

Mentre gli scienziati sapevano che i fili dell'acqua avevano un ruolo nel condurre i nutrienti attraverso la membrana cellulare, hanno ampiamente sottovalutato le loro interazioni con il canale di membrana. Questa scoperta ha ramificazioni diffuse, ricercatori hanno detto, mettendo in discussione i modelli esistenti di come l'acqua si comporta all'interno di altre proteine.

"Ecco dove questo diventa davvero interessante da una prospettiva biologica, " ha detto l'autore corrispondente Tim Cross, direttore della struttura di risonanza magnetica nucleare (NMR) con sede a Tallahassee presso il National MagLab e il professore di chimica Robert O. Lawton. "Ora capiamo che quelle interazioni tra l'acqua e gli atomi di ossigeno della proteina che rivestono il poro saranno molto più forti di quanto chiunque abbia previsto. E questo influenzerà il funzionamento di queste proteine".

Anche il lavoro è importante, Croce ha aggiunto, perché mostra come un unico, magnete da record mondiale, noto come Series Connected Hybrid (SCH), sta dando agli scienziati l'accesso a nuovi dettagli sulle proteine ​​e altri sistemi biologici.

Il loro studio si è concentrato sulla gramicidina A, un peptide antibiotico (o piccola proteina) che ha la forma di un'elica. Due di queste molecole impilate una sull'altra creano uno stretto canale in alcune membrane cellulari attraverso il quale gli ioni possono entrare e uscire. Un filo d'acqua lungo otto molecole che copre la lunghezza del canale agisce come una sorta di lubrificante in questo processo. Gli idrogeni in quelle molecole d'acqua si legano con alcuni degli atomi di ossigeno nella gramicidina che li circonda. Si pensava che gli orientamenti delle molecole del filo d'acqua si capovolgessero molto rapidamente, legandosi e separandosi con gli atomi di ossigeno nella gramicidina A molte volte al nanosecondo.

Però, quando il team MagLab ha esaminato più da vicino questo sistema, hanno scoperto qualcosa che ha messo in discussione quella visione prevalente. Il loro primo indizio arrivò circa due anni fa, quando Joana Paulino, poi ricercatore post-dottorato al MagLab che lavora con Cross, mettere un po' di gramicidina A appositamente trattata nell'SCH ed eseguire alcuni esperimenti NMR.

Gli scienziati utilizzano macchine NMR per comprendere meglio la struttura e la funzione di molecole complesse come proteine ​​e virus. Possono mettere a punto la macchina per identificare, Per esempio, tutti gli atomi di sodio in un campione e il loro orientamento rispetto ad altri atomi. Ogni atomo invia un segnale rivelatore alla macchina.

Ma alcuni atomi sono più facili da rilevare mediante NMR rispetto ad altri. Ossigeno, Per esempio, è abbastanza difficile da vedere. Così, fino a poco tempo fa, uno degli atomi biologicamente più attivi nel corpo era quasi invisibile all'NMR. In parte a causa di un potente magnete che genera un campo di 36 tesla (un'unità di intensità del campo magnetico), lo SCH può "vedere" l'ossigeno.

I campioni specifici di gramicidina che Paulino stava esaminando erano già stati studiati a fondo anni prima in un altro potente magnete NMR al MagLab. Cross ha stabilito la sua carriera con il suo lavoro sulla gramicidina, noto per essere una struttura perfettamente simmetrica:l'ultima cosa che si aspettava era una sorpresa.

Il campione di gramicidina era costituito da due identici, impilato, molecole elicoidali. Paulino ha esaminato lo stesso identico atomo di ossigeno su entrambi, sperando che il più sensibile SCH rileverebbe un segnale più chiaro da quei due atomi di quanto fosse stato osservato in precedenza.

Ma non ha visto un solo segnale di ossigeno:ne ha visti due.

A prima vista, i risultati sembravano suggerire qualcosa che non andava con il modello di una gramicidina A perfettamente simmetrica, il modello che aveva fatto guadagnare a Cross il suo mandato. La sua reazione immediata alle misurazioni di Paulino fu, "Bene, dev'essere sbagliato".

Il suo pensiero successivo:"Oppure, potrebbe essere qualcosa di molto interessante".

Esperimenti ripetuti hanno mostrato che il primo risultato di Paulino era effettivamente corretto, ma non perché le molecole fossero asimmetriche. Piuttosto, lo SCH era così sensibile che ha rilevato un segnale da un ossigeno gramicidina che era legato al filo dell'acqua, e un segnale separato da un ossigeno gramicidina che non era legato al filo.

Il team ha trascorso anni a condurre più esperimenti per assicurarsi che capissero cosa stavano vedendo.

"Ogni volta che abbiamo analizzato un campione di gramicidina marcato in un diverso sito di ossigeno e abbiamo visto due picchi, abbiamo fatto un piccolo ballo, " disse Paolino, autore principale dell'articolo e ora borsista post-dottorato in biochimica e biofisica presso l'Università della California a San Francisco.

Il fatto che lo SCH fosse in grado di rilevare il segnale dell'ossigeno legato, i ricercatori hanno determinato, significava che le interazioni tra il filo d'acqua e la parete dei pori della gramacidina A erano molto più forti e durature, più di un milione di volte più lunghe, infatti, di quanto gli scienziati avessero creduto.

"Le energie associate al processo sono chiaramente diverse da quanto immaginato, " disse Croce. "Allora, dobbiamo tornare indietro ora e dare un'occhiata all'energia e a come funzionano effettivamente questi fili dell'acqua".

I risultati sono rilevanti per molti altri tipi di proteine ​​che presentano fili d'acqua nelle loro membrane cellulari.

"L'eccitazione ora è iniziare davvero a pensare a tutti questi altri fili d'acqua nelle proteine ​​che conducono ioni che sono essenziali per la vita, "Croce disse, "e per capire come questo influenzerà quelle interazioni e i tassi di conduttanza".

I risultati rischiano di arruffare alcune piume scientifiche perché contraddicono i modelli computazionali della dinamica molecolare dei fili d'acqua che sono stati accettati per decenni, disse Croce.

"Gli scienziati hanno una comprensione abbastanza buona di molte cose, " spiegò Cross. "Ma ogni tanto, qualcosa viene fuori dal nulla e ci costringe a ripensare le cose. Non c'è niente là fuori che possa suggerire che ci fosse un problema con quegli studi computazionali, fino a questo."