Ученые открыли новый класс «молекулярных двигателей»

 Клетки обладают замечательной способностью организовывать свое внутреннее пространство с помощью крохотных белковых машин, известных как молекулярные моторы, которые генерируют направленное движение.

Двухкомпонентный молекулярный мотор, размещающий везикулы проксимальнее эндосомальных мембран. (Фото: scitechdaily.com)

 Работа большинства молекулярных моторов зависит от обычной формы химической энергии, АТФ. Недавно группа исследователей из Института молекулярно-клеточной биологии и генетики им. Макса Планка (MPI-CBG), Кластера передового опыта в физике жизни (PoL), Биотехнологического центра (BIOTEC) Технического университета Дрездена и Национального центра биологических Sciences (NCBS) в Индии открыла новую молекулярную систему, которая использует альтернативный источник энергии и имеет новый механизм для выполнения механических задач.

Этот молекулярный двигатель, который работает аналогично традиционному двигателю Стирлинга за счет повторяющихся сокращений и расширений, помогает распределять груз по связанным с мембраной органеллам. Это первый двигатель, использующий два компонента, два белка разного размера, Rab5 и EEA1, и приводится в движение GTP вместо ATP.

Моторные белки — это замечательные молекулярные машины внутри клетки, которые преобразуют химическую энергию, хранящуюся в молекуле АТФ, в механическую работу. Наиболее ярким примером является миозин, который помогает нашим мышцам двигаться. Напротив, GTPases, которые представляют собой небольшие белки, не рассматривались как генераторы молекулярной силы. Одним из примеров является молекулярный двигатель, состоящий из двух белков, EEA1 и Rab5.

В 2016 году междисциплинарная группа клеточных биологов и биофизиков в составе директоров MPI-CBG Марино Зериала и Стефана Грилла и их коллег, включая руководителя исследовательской группы PoL и BIOTEC Маркуса Дженела, обнаружила, что небольшой белок GTPase Rab5 может вызывать сокращение в ЕЕА1. Эти нитевидные белки-привязи могут распознавать белок Rab5, присутствующий в мембране везикул, и связываться с ним.

Связывание гораздо меньшего Rab5 посылает сообщение вдоль удлиненной структуры EEA1, тем самым увеличивая его гибкость, подобно тому, как приготовление пищи размягчает спагетти. Такое изменение гибкости создает силу, которая тянет везикулу к мембране-мишени, где происходит стыковка и слияние. Однако команда также предположила, что EEA1 может переключаться между гибким и жестким состоянием, подобно механическому движению двигателя, просто взаимодействуя только с Rab5.

Именно здесь начинаются текущие исследования, формирующиеся благодаря докторской работе двух первых авторов исследования. Джоан Антони Солер из исследовательской группы Марино Зериала в MPI-CBG и Анупам Сингх из группы Шаши Тутупалли, биофизика из Центра изучения живых машин Саймонса в NCBS в Бангалоре, решили экспериментально наблюдать за этим двигателем в действии.

Имея в виду экспериментальный план исследования динамики белка EEA1, Анупам Сингх провел три месяца в MPI-CBG в 2019 году. «Когда я встретил Джоан, я объяснил ему идею измерения динамики белка EEA1. Но эти эксперименты потребовали определенных модификаций белка, которые позволили измерить его гибкость на основе его структурных изменений», — говорит Анупам.

Опыт Джоан Антони Солер в области биохимии белков идеально подходил для этой сложной задачи. «Я был рад узнать, что подход к характеристике белка EEA1 может ответить на вопрос, образуют ли EEA1 и Rab5 двухкомпонентный двигатель, как предполагалось ранее. Я понял, что трудности с получением правильных молекул можно решить, модифицировав белок EEA1, чтобы флуорофоры могли прикрепляться к определенным областям белка. Эта модификация упростит описание структуры белка и изменений, которые могут произойти, когда он взаимодействует с Rab5», — объясняет Джоан Антони.

Вооружившись подходящими белковыми молекулами и ценной поддержкой соавтора Джанель Лауэр, старшего научного сотрудника в исследовательской группе Марино Зериала, Джоан и Анупам смогли тщательно охарактеризовать динамику EEA1, используя передовые лазерные сканирующие микроскопы, предоставленные световой микроскопией. объекты в MPI-CBG и NCBS. Поразительно, но они обнаружили, что белок EEA1 может проходить несколько циклов перехода гибкости, от жесткого к гибкому и обратно, за счет исключительно химической энергии, высвобождаемой при его взаимодействии с GTPase Rab5. Эти эксперименты показали, что EEA1 и Rab5 образуют двухкомпонентный двигатель, управляемый GTP.

Чтобы интерпретировать результаты, Маркус Янель, один из соответствующих авторов и руководитель исследовательской группы в PoL и BIOTEC, разработал новую физическую модель для описания связи между химическими и механическими этапами в мотоцикле. Вместе со Стефаном Гриллом и Шаши Тутупалли биофизики также смогли рассчитать термодинамическую эффективность новой моторной системы, которая сравнима с эффективностью обычных моторных белков, управляемых АТФ.

«Наши результаты показывают, что белки EEA1 и Rab5 работают вместе как двухкомпонентная молекулярная двигательная система, которая может преобразовывать химическую энергию в механическую работу. В результате они могут играть активную механическую роль в перемещении мембран. Вполне возможно, что молекулярный двигательный механизм, генерирующий силу, может сохраняться в других молекулах и использоваться несколькими другими клеточными компартментами», — резюмирует исследование Марино Зериал.

Маркус Янель добавляет: «Я рад, что мы наконец-то смогли протестировать идею двигателя EEA1-Rab5. Приятно видеть, что это подтверждается этими новыми экспериментами. Большинство молекулярных двигателей используют общий тип клеточного топлива, называемый АТФ. Малые ГТФазы потребляют другой тип топлива, ГТФ, и рассматривались в основном как сигнальные молекулы. То, что они также могут управлять молекулярной системой, чтобы генерировать силы и перемещать предметы, представляет эти многочисленные молекулы в интересном новом свете».

Стефан Грилл тоже взволнован: «Это новый класс молекулярных двигателей! Этот не двигается, как кинезиновый мотор, который транспортирует груз по микротрубочкам, а выполняет работу, оставаясь на месте. Это немного похоже на щупальца осьминога».

«Модель, которую мы использовали, вдохновлена классическим циклом двигателя Стирлинга. В то время как традиционный двигатель Стирлинга производит механическую работу за счет расширения и сжатия газа, описанный двухкомпонентный двигатель использует белки в качестве рабочего субстрата, при этом изменения гибкости белков приводят к созданию силы. В результате этот тип механизма открывает новые возможности для разработки синтетических белковых двигателей», — добавляет Шаши Тутупалли.

В целом авторы надеются, что это новое междисциплинарное исследование может открыть новые направления исследований как в молекулярной клеточной биологии, так и в биофизике.

Источник