Visualizzazione del movimento del motore molecolare:la sintasi FoF1 è orientata in modo che il componente F1 sia attaccato tramite legami istidina a un vetrino da microscopio rivestito di nichel (rettangolo grigio). Un nanorod d'oro è legato da avidina-biotina all'anello della subunità c del complesso Fo (rappresentato da bande grigio chiaro e scuro), che ruotano rispetto alla subunità-a (tasselli verde brillante). Un axel (verde scuro) collega i motori FoF1. Il nanodisco stabilizzante è raffigurato con segmenti blu e manubri a doppio strato lipidico marrone.
Potenziato da una sovvenzione di $ 1,2 milioni dal National Institutes of Health (NIH), Wayne Frasch, scienziato dell'Arizona State University, sta decifrando come funziona uno dei motori molecolari più piccoli del mondo nelle cellule viventi. Nel processo, sta anche gettando luce su un puzzle di fisica che ha lasciato perplessi gli scienziati per più di 40 anni.
Frasch, un professore della Scuola di Scienze della Vita, esamina il motore molecolare Fo, il suo meccanismo d'azione e come si associa al motore F1 come parte della sintasi ATP FoF1. A circa 10 nanometri di diametro, ogni motore è 10, 000 volte più piccolo della larghezza di un pezzo di carta. Negli esseri viventi, Fo e F1 sono attaccati da un comune asse rotante che consente ai due motori di lavorare insieme e fornire energia alle cellule sotto forma di adenosina trifosfato (ATP).
La ricerca sui motori su scala nanometrica non è complicata solo dalle dimensioni. I motori molecolari funzionano tramite movimenti estremamente piccoli che si verificano su scale temporali che sono state straordinariamente difficili da misurare. Il motore molecolare Fo è anche incorporato nella membrana lipidica di una cellula vivente, che è solo due molecole di spessore. Alla sfida sperimentale si aggiunge il fatto che l'energia di rotazione dei motori molecolari deriva dal flusso di protoni, particelle atomiche cariche positivamente, attraverso quella membrana.
Il laboratorio Frasch è uno dei pochi laboratori attrezzati per visualizzare come ruota una singola molecola del motore Fo. Frasch e i suoi colleghi dell'ASU College of Liberal Arts and Sciences hanno sviluppato un sistema sperimentale che incorpora il motore Fo in un doppio strato fosfolipidico artificiale disposto in nanodischi, che aiutano a stabilizzare i complessi molecolari. Il gruppo di Frasch ha quindi ideato una strategia di imaging, utilizzando nanotubi d'oro attaccati a Fo per monitorare la rotazione delle singole molecole FoF1.
“Sapere di più su questi piccoli, ma i motori molecolari straordinariamente efficienti, quasi al 100%, offrono una strada per lo sviluppo di nuove tecnologie, come fonti di energia per nanodispositivi a basso consumo di carburante e applicazioni di nanotecnologia come il rilevamento molecolare, informatica e biomedicina, "Dice Frasch.
Uno dei primi risultati degli esperimenti FoF1 di Frasch e del team dell'ASU, recentemente pubblicato su EMBO Journal, fornisce nuovi indizi allettanti in un vecchio enigma:un cricchetto browniano proposto per la prima volta dal fisico Richard Feynman più di 40 anni fa.
“Precedenti studi sul motore Fo hanno portato i ricercatori a proporre che Fo contenga un cricchetto molecolare in grado di influenzare il moto browniano, il moto casuale delle molecole, in modo da favorire la rotazione nella direzione della sintesi di ATP, "dice Frasch. “Tuttavia, esistevano poche prove per il tipo di interruzioni periodiche nella rotazione coerenti con questo tipo di meccanismo a cricchetto.
Quello che si sapeva è che il flusso di protoni attraverso la membrana attraverso i canali Fo in una subunità statica "a" guida la rotazione in senso orario del rotore ad anello "c" composto da 10 subunità c che trasportano ciascuna un singolo protone. Questa rotazione in senso orario a sua volta guida la sintesi di ATP, che si verifica nel motore F1 perché il c-ring si attacca a un'estremità dell'asse che collega le unità Fo e F1.
Usando un nanorod d'oro attaccato all'anello c di una singola molecola FoF1, Il gruppo di Frasch può esaminare la rotazione del motore in modo più approfondito. Il gruppo misura i cambiamenti nell'intensità della luce dal nanorod d'oro mentre ruota (e l'anello c), che consente al team ASU di "vedere" che il movimento rotatorio del c-ring viene periodicamente interrotto. “Quando la subunità-a si è aggrappata alla subunità-c, l'interazione si è comportata come un guinzaglio, permettendo al c-ring di ruotare, ma con un limite di incrementi di 36 gradi mentre è impegnato - come un cricchetto, "Frasch dice, "Questa interruzione periodica si è verificata solo in condizioni in cui c'era una resistenza sufficiente sul nanorod per rallentare il motore, simili alle condizioni riscontrate in una cellula vivente in cui l'ATP viene mantenuto a un livello elevato.
Con il nuovo finanziamento NIH, Il gruppo di ricerca della School of Life Sciences di Frasch esaminerà se il guinzaglio è un componente del tanto ricercato cricchetto Browning. Capire come o se il movimento browniano è sfruttato in un cricchetto molecolare ha il potenziale per l'uso nello sviluppo di motori molecolari sintetici a basso consumo energetico e produzione di energia su scala nanometrica.
