“Carburante” alternativo per motori a forma di stringa nelle celle — ScienceDaily

Le proteine ​​motrici sono notevoli macchine molecolari all’interno di una cellula che convertono l’energia chimica, immagazzinata in una molecola chiamata ATP, in lavoro meccanico. L’esempio più importante è la miosina che aiuta i nostri muscoli a muoversi. Al contrario, le GTPasi che sono piccole proteine ​​non sono state viste come generatori di forza molecolare. Un esempio è un motore molecolare composto da due proteine, EEA1 e Rab5. Nel 2016, un team interdisciplinare di biologi cellulari e biofisici nei gruppi dei direttori MPI-CBG Marino Zerial e Stephan Grill e dei loro colleghi, tra cui il leader del gruppo di ricerca PoL e BIOTEC Marcus Jahnel, ha scoperto che la piccola proteina GTPasi Rab5 potrebbe innescare una contrazione in SEE1. Queste proteine ​​tether a forma di filo possono riconoscere la proteina Rab5 presente nella membrana di una vescicola e legarsi ad essa. La legatura del Rab5 molto più piccolo invia un messaggio lungo la struttura allungata di EEA1, aumentandone così la flessibilità, simile a come la cottura ammorbidisce gli spaghetti. Tale cambiamento di flessibilità produce una forza che tira la vescicola verso la membrana bersaglio, dove avvengono l’attracco e la fusione. Tuttavia, il team ha anche ipotizzato che EEA1 possa passare da uno stato flessibile a uno rigido, simile a un movimento motorio meccanico, semplicemente interagendo solo con Rab5.

È qui che si inserisce l’attuale ricerca, che prende forma attraverso il lavoro di dottorato dei due primi autori dello studio. Joan Antoni Soler del gruppo di ricerca di Marino Zerial presso MPI-CBG e Anupam Singh del gruppo di Shashi Thutupalli, biofisico presso il Simons Center for the Study of Living Machines presso l’NCBS di Bangalore, si sono proposti di osservare sperimentalmente questo motore in azione.

Con in mente un disegno sperimentale per studiare la dinamica della proteina EEA1, Anupam Singh ha trascorso tre mesi presso l’MPI-CBG nel 2019. “Quando ho incontrato Joan, gli ho spiegato l’idea di misurare la dinamica della proteina EEA1. Ma questi gli esperimenti hanno richiesto modifiche specifiche alla proteina che hanno permesso di misurare la sua flessibilità in base ai suoi cambiamenti strutturali”, afferma Anupam. L’esperienza di Joan Antoni Soler nella biochimica delle proteine ​​si è rivelata perfetta per questo compito impegnativo. “Sono stato lieto di apprendere che l’approccio per caratterizzare la proteina EEA1 potrebbe rispondere se EEA1 e Rab5 formano un motore a due componenti, come precedentemente sospettato. Mi sono reso conto che le difficoltà nell’ottenere le molecole corrette potrebbero essere risolte modificando la proteina EEA1 in consentire ai fluorofori di attaccarsi a specifiche regioni proteiche.Questa modifica renderebbe più facile caratterizzare la struttura proteica e i cambiamenti che possono verificarsi quando interagisce con Rab5”, spiega Joan Antoni.

Armati delle molecole proteiche adatte e del prezioso supporto della coautrice Janelle Lauer, una ricercatrice post-dottorato senior nel gruppo di ricerca di Marino Zerial, Joan e Anupam sono stati in grado di caratterizzare a fondo la dinamica di EEA1 utilizzando i microscopi avanzati a scansione laser forniti dalle strutture di microscopia ottica presso MPI-CBG e NCBS. Sorprendentemente, hanno scoperto che la proteina EEA1 potrebbe subire molteplici cicli di transizione di flessibilità, da rigido a flessibile e viceversa, guidati esclusivamente dall’energia chimica rilasciata dalla sua interazione con GTPase Rab5. Questi esperimenti hanno mostrato che EEA1 e Rab5 formano un motore a due componenti guidato da GTP. Per interpretare i risultati, Marcus Jahnel, uno degli autori corrispondenti e leader del gruppo di ricerca presso PoL e BIOTEC, ha sviluppato un nuovo modello fisico per descrivere l’accoppiamento tra fasi chimiche e meccaniche nel ciclo del motore. Insieme a Stephan Grill e Shashi Thutupalli, i biofisici sono stati anche in grado di calcolare l’efficienza termodinamica del nuovo sistema motorio, che è paragonabile a quella delle proteine ​​motorie guidate da ATP convenzionali.

“I nostri risultati mostrano che le proteine ​​EEA1 e Rab5 lavorano insieme come un sistema motorio molecolare a due componenti in grado di trasferire energia chimica in lavoro meccanico. Di conseguenza, possono svolgere ruoli meccanici attivi nel traffico di membrane. È possibile che la forza- la generazione del meccanismo motorio molecolare può essere conservata attraverso altre molecole e utilizzata da molti altri compartimenti cellulari”, riassume lo studio Marino Zerial. Marcus Jahnel aggiunge: “Sono lieto di poter finalmente testare l’idea di un motore EEA1-Rab5. È fantastico vederla confermata da questi nuovi esperimenti. La maggior parte dei motori molecolari utilizza un tipo comune di combustibile cellulare chiamato ATP. Piccole GTPasi ne consumano un altro tipo di carburante, GTP, e sono stati pensati principalmente come molecole di segnalazione. Il fatto che possano anche guidare un sistema molecolare per generare forze e spostare le cose mette queste abbondanti molecole sotto una nuova luce interessante. Stephan Grill è altrettanto entusiasta: “È una nuova classe di motori molecolari! Questo non si muove come il motore kinesin che trasporta il carico lungo i microtubuli, ma esegue il lavoro rimanendo fermo. È un po’ come i tentacoli di una piovra”.

“Il modello che abbiamo utilizzato si ispira a quello del classico ciclo del motore Stirling. Mentre il motore Stirling tradizionale genera lavoro meccanico espandendo e comprimendo il gas, il motore a due componenti descritto utilizza le proteine ​​come substrato di lavoro, con cambiamenti di flessibilità proteica che si traducono in forza generazione. Di conseguenza, questo tipo di meccanismo apre nuove possibilità per lo sviluppo di motori proteici sintetici”, aggiunge Shashi Thutupalli.

Nel complesso, gli autori sperano che questo nuovo studio interdisciplinare possa aprire nuove strade di ricerca sia nella biologia cellulare molecolare che nella biofisica.