|
Исследователи раскрывают структуру и функции молекулярного мотора
|
|
|
|
Молекулярные двигатели — это сложные устройства, состоящие из множества различных частей, которые потребляют энергию для выполнения различных клеточных функций. Короче говоря, молекулярные машины преобразуют энергию в полезную работу. Понимание механических аспектов, лежащих в основе этих двигателей, начинается с подробного описания их общей архитектуры и атомарной организации. Однако, чтобы раскрыть основные механизмы, приводящие в действие эти моторы, необходимо расшифровать всю молекулярную динамику в атомных деталях.
|
|
|
|
Теперь исследовательская группа Томаса С. Марловица из Центра структурной системной биологии CSSB в DESY и Университетского медицинского центра Гамбург-Эппендорф (UKE) в Гамбурге раскрывает архитектуру, полный функциональный цикл и механизм такого молекулярного двигателя. Они сообщают в журнале Nature, как «комплекс миграции ветвей RuvAB» преобразует химическую энергию в механическую работу для выполнения рекомбинации и восстановления ДНК.
|
|
|
Рекомбинация ДНК является одним из наиболее фундаментальных биологических процессов в живых организмах. Это процесс, посредством которого хромосомы «заменяют» ДНК либо для создания генетического разнообразия, создавая новое потомство, либо для поддержания генетической целостности, восстанавливая разрывы в существующих хромосомах. Во время рекомбинации ДНК четыре плеча ДНК отделяются от своих образований двойной спирали и соединяются вместе в пересечении, известном как соединение Холлидея. Здесь плечи ДНК обмениваются нитями в процессе, называемом активной миграцией ветвей.
|
|
|
|
Энергия, необходимая для этой миграции ветвей, исходит от молекулярного механизма, который ученые назвали комплексом миграции ветвей RuvAB. Этот комплекс собирается вокруг соединения Холлидея и состоит из двух двигателей, помеченных как АТФазы RuvB AAA+, которые подпитывают реакцию, и статора RuvA. Исследовательская группа представила сложную схему, которая объясняет, как моторы RuvB AAA+ работают под управлением белка RuvA для выполнения синхронизированного движения ДНК.
|
|
|
|
Миграции активных ветвей, возбуждаемые моторной молекулой RuvB AAA+, очень быстрые и очень динамичные. Чтобы определить отдельные этапы этого процесса, ученые использовали криоэлектронную микроскопию с временным разрешением, чтобы наблюдать за механизмами двигателя в замедленном темпе. «По сути, мы снабдили двигатель RuvB AAA+ топливом с более медленным горением, что позволило нам фиксировать биохимические реакции по мере их протекания», — объясняет Марловиц.
|
|
|
|
Ученый сделал более десяти миллионов изображений машин, взаимодействующих с перекрестком Холлидея. Иржи Вальд (CSSB, Великобритания и участник программы PhD Венского биоцентра), первый автор статьи, просмотрел огромное количество данных и тщательно классифицировал тонкие изменения, происходящие на каждом изображении. Используя высокопроизводительный вычислительный комплекс DESY, ученые затем смогли собрать все кусочки головоломки вместе, чтобы создать фильм с высоким разрешением, в котором подробно описывается, как комплекс RuvAB функционирует на молекулярном уровне.
|
|
|
|
«Мы смогли визуализировать семь различных состояний двигателя и продемонстрировать, как взаимосвязанные элементы циклически работают вместе», — объясняет Вальд. «Мы также продемонстрировали, что двигатель RuvB преобразует энергию в движение рычага, который создает силу, которая управляет миграцией ветвей. Мы были поражены открытием, что двигатели используют базовый рычажный механизм для перемещения субстрата ДНК. В целом, последовательный механизм, координация и способ создания силы двигателя RuvAB имеют концептуальное сходство с двигателями внутреннего сгорания».
|
|
|
|
Моторы ААА+ часто используются в других биологических системах, таких как транспорт белков, поэтому эта подробная модель мотора ААА+ RuvB может использоваться в качестве схемы для подобных молекулярных моторов. «Мы понимаем, как работает двигатель, и теперь мы можем поместить этот двигатель в другую систему с небольшими изменениями», — объясняет Марловиц. «По сути, мы представляем основные принципы двигателей AAA+». Будущая работа группы Marlovits будет заключаться в изучении способов вмешательства в работу двигателей AAA+. Это могло бы стать основой для разработки препаратов нового поколения, которые нарушали бы механизмы такого мотора у патогенов и тем самым останавливали распространение инфекции. «Мы рады изучить возможности, которые существуют теперь, когда у нас есть проект двигателя RuvB AAA+», — отмечает Уолд.
|
|
|
|
Источник
|
