Silniki molekularne pod lupą. Pierwsze tak dokładne badanie na świecie

Silniki molekularne to niezwykłe struktury, które przekształcają energię chemiczną w pracę mechaniczną. Naukowcy są coraz bliżej rozszyfrowania ich działania.
Wizja artystyczna połączenia Holliday’a /Fot. DESY
Wizja artystyczna połączenia Holliday’a /Fot. DESY

Silniki molekularne przekształcają energię w użyteczną rpacę. Naukowcy z Centrum Biologii Systemów Strukturalnych CSSB w DESY i Uniwersyteckiego Centrum Medycznego Hamburg-Eppendorf (UKE) pod kierownictwem Thomasa C. Marlovitsa ujawnili architekturę, pełny cykl funkcjonalny i mechanizm działania silnika molekularnego. Osiągnięcie to zostało opisane w czasopiśmie Nature.

Czym są silniki molekularne?

Rekombinacja DNA to jeden z najbardziej podstawowych procesów biologicznych w żywych organizmach. W procesie tym, chromosomy „zamieniają” DNA, aby wygenerować różnorodność genetyczną, tworząc nowe potomstwo, lub zachować integralność genetyczną, naprawiając pęknięcia w istniejących chromosomach. Podczas rekombinacji DNA cztery ramiona DNA oddzielają się od formacji podwójnej helisy i łączą się na przecięciu zwanym połączeniem Holliday’a. Tutaj ramiona DNA wymieniają nici w procesie zwanym crossing-over (rekombinacja homologiczna).

Czytaj też: Robot z DNA? Taka technologia miałaby ciekawe zastosowanie

Energia potrzebna do wystąpienia tej rekombinacji pochodzi z silnika molekularnego, który naukowcy oznaczyli jako kompleks rekombinacji RuvAB. Ten kompleks jest montowany wokół połączenia Holliday’a i składa się z dwóch silników oznaczonych RuvB AAA+ ATPaz, które napędzają reakcję, oraz białka RuvA. Zespół badawczy przedstawił teraz skomplikowany plan, który wyjaśnia, w jaki sposób silniki RuvB AAA+ działają pod kontrolą białka RuvA, aby wykonać zsynchronizowany ruch DNA.

Aktywna rekombinacja homologiczna pobudzana przez silnik molekularny RuvB AAA+ są bardzo szybkie i bardzo dynamiczne. Aby określić poszczególne etapy tego procesu, wykorzystaliśmy czasowo-rozdzielczą mikroskopię krioelektronową. Zasadniczo dostarczyliśmy silnikowi RuvB AAA+ wolniej spalające się paliwo, co pozwoliło nam uchwycić reakcje biochemiczne w miarę ich zachodzenia.Thomas C. Marlovits

Naukowcy wykonali ponad 10 milionów zdjęć silnika molekularnego oddziałującego z połączeniem Holliday’a. Udało się zwizualizować ten proces na filmie.

Silniki AAA+ są często używane w innych systemach biologicznych, takich jak transport białek, dlatego ten szczegółowy model silnika można wykorzystać jako plan dla podobnych silników molekularnych.