Rappresentazione artistica dello svincolo Holliday e dei motori RuvB. Crediti:CSSB, Nicola Graf
I motori molecolari sono dispositivi complessi composti da molte parti diverse che consumano energia per svolgere varie attività cellulari. In breve, le macchine molecolari trasformano l'energia in lavoro utile. La comprensione degli aspetti meccanicistici alla base di questi motori inizia con la generazione di una descrizione dettagliata della loro architettura complessiva e dell'organizzazione atomica. Tuttavia, per scoprire i meccanismi fondamentali che alimentano questi motori è essenziale decodificare tutta la dinamica molecolare in dettaglio atomico.
Ora, il team di ricerca di Thomas C. Marlovits del Center for Structural Systems Biology CSSB del DESY e dell'University Medical Center Hamburg-Eppendorf (UKE) di Amburgo rivela l'architettura, il ciclo funzionale completo e il meccanismo di tale motore molecolare. Riferiscono sulla rivista Natura , come un "complesso di migrazione dei rami RuvAB" converte l'energia chimica in lavoro meccanico per eseguire la ricombinazione e la riparazione del DNA.
La ricombinazione del DNA è uno dei processi biologici fondamentali negli organismi viventi. È il processo mediante il quale i cromosomi "scambiano" il DNA per generare diversità genetica, creando nuova prole, o per mantenere l'integrità genetica, riparando le rotture nei cromosomi esistenti. Durante la ricombinazione del DNA, quattro bracci del DNA si separano dalle loro formazioni a doppia elica e si uniscono in un'intersezione nota come giunzione di Holliday. Qui le braccia del DNA si scambiano i filamenti in un processo chiamato migrazione dei rami attivi.
L'energia essenziale necessaria affinché avvenga questa migrazione dei rami proviene da un macchinario molecolare che gli scienziati hanno etichettato come il complesso di migrazione dei rami RuvAB. Questo complesso si assembla attorno alla giunzione di Holliday ed è composto da due motori etichettati RuvB AAA+ ATPasi, che alimentano la reazione, e uno statore RuvA. Il team di ricerca ha ora fornito un progetto intricato che spiega come funzionano i motori RuvB AAA+ sotto la regolazione della proteina RuvA per eseguire il movimento sincronizzato del DNA.
Le migrazioni di rami attive energizzate dalla molecola motoria RuvB AAA+ sono molto veloci e altamente dinamiche. Per determinare le singole fasi di questo processo, gli scienziati hanno utilizzato la microscopia crioelettronica risolta nel tempo per osservare i meccanismi del motore al rallentatore. "Sostanzialmente abbiamo fornito al motore RuvB AAA+ un carburante a combustione più lenta che ci ha permesso di catturare le reazioni biochimiche mentre si verificano", spiega Marlovits.
Lo scienziato ha catturato oltre dieci milioni di immagini del macchinario a motore che interagisce con l'incrocio di Holliday. Jiri Wald (CSSB, UKE e parte del Vienna BioCenter Ph.D. Program), il primo autore dell'articolo, ha esaminato l'immensa quantità di dati e classificato attentamente i sottili cambiamenti che si verificano in ciascuna immagine. Utilizzando la struttura di calcolo ad alte prestazioni di DESY, gli scienziati sono stati quindi in grado di mettere insieme tutti i pezzi del puzzle per generare un filmato ad alta risoluzione che descrive in dettaglio come funziona il complesso RuvAB su scala molecolare.
"Siamo stati in grado di visualizzare sette stati distinti del motore e dimostrare come gli elementi interconnessi lavorano insieme in modo ciclico", spiega Wald. "Abbiamo anche dimostrato che il motore RuvB converte l'energia in un movimento a leva che genera la forza che guida la migrazione dei rami. Siamo rimasti stupiti dalla scoperta che i motori utilizzano un meccanismo a leva di base per spostare il substrato del DNA. Nel complesso, il meccanismo sequenziale, la coordinazione e la modalità di generazione della forza del motore RuvAB condividono somiglianze concettuali con i motori a combustione."
I motori AAA+ sono spesso utilizzati in altri sistemi biologici, come il trasporto di proteine, quindi questo modello dettagliato del motore RuvB AAA+ può essere utilizzato come modello per motori molecolari simili. "Comprendiamo come funziona il motore e ora possiamo inserire questo motore in un altro sistema con alcuni piccoli adattamenti", spiega Marlovits. "Stiamo essenzialmente presentando i principi fondamentali per i motori AAA+."
Il lavoro futuro del gruppo Marlovits esplorerà modi per interferire con il funzionamento dei motori AAA+. Ciò potrebbe fornire la base per lo sviluppo di una nuova generazione di farmaci, che interromperebbe i meccanismi di tale motore nei patogeni e quindi arresterebbe la diffusione dell'infezione. "Siamo entusiasti di esplorare le possibilità che esistono ora che abbiamo un progetto del motore RuvB AAA+", osserva Wald. + Esplora ulteriormente
