Động cơ phân tử là những thiết bị phức tạp bao gồm nhiều bộ phận khác nhau tiêu thụ năng lượng để thực hiện các hoạt động tế bào khác nhau. Nói tóm lại, máy móc phân tử biến đổi năng lượng thành công hữu ích.
Việc hiểu các khía cạnh cơ học bên dưới những động cơ này bắt đầu bằng việc tạo ra một mô tả chi tiết về kiến trúc tổng thể và tổ chức nguyên tử của chúng. Tuy nhiên, để khám phá các cơ chế cốt lõi cung cấp năng lượng cho các động cơ này, điều cần thiết là phải giải mã tất cả các động lực học phân tử một cách chi tiết nguyên tử.
Giờ đây, nhóm nghiên cứu của Thomas C. Marlovits từ Trung tâm Sinh học Hệ thống Cấu trúc CSSB tại DESY và Trung tâm Y tế Đại học Hamburg-Eppendorf (UKE) ở Hamburg đã tiết lộ kiến trúc, chu trình chức năng hoàn chỉnh và cơ chế của một động cơ phân tử như vậy: báo cáo trên tạp chí Nature, cách một 'phức hợp di chuyển nhánh RuvAB' chuyển đổi năng lượng hóa học thành công cơ học để thực hiện tái tổ hợp và sửa chữa DNA. Tái tổ hợp DNA là một trong những quá trình sinh học cơ bản nhất trong cơ thể sống. Đó là quá trình các nhiễm sắc thể "hoán đổi" DNA để tạo ra sự đa dạng di truyền, bằng cách tạo ra con cái mới, hoặc để duy trì tính toàn vẹn của di truyền, bằng cách sửa chữa các điểm đứt gãy trong các nhiễm sắc thể hiện có. Trong quá trình tái tổ hợp DNA, bốn nhánh DNA tách ra khỏi sự hình thành chuỗi xoắn kép của chúng và kết hợp với nhau tại một giao điểm được gọi là giao lộ Holliday. Tại đây các nhánh DNA trao đổi các sợi trong một quá trình được gọi là quá trình di chuyển nhánh tích cực.
Năng lượng thiết yếu cần thiết để sự di chuyển nhánh này xảy ra đến từ một bộ máy phân tử mà các nhà khoa học đã gắn thẻ là phức hợp di chuyển nhánh RuvAB. Khu phức hợp này lắp ráp xung quanh điểm nối Holliday và được làm bằng hai động cơ có nhãn RuvB AAA + ATPases, cung cấp nhiên liệu cho phản ứng và một stator RuvA. Nhóm nghiên cứu hiện đã cung cấp một bản thiết kế phức tạp giải thích cách động cơ RuvB AAA + hoạt động dưới sự điều tiết của protein RuvA để thực hiện chuyển động DNA đồng bộ.
(adv)
Sự di chuyển nhánh hoạt động được cung cấp năng lượng bởi phân tử vận động RuvB AAA + rất nhanh và năng động cao. Để xác định các bước riêng lẻ của quá trình này, các nhà khoa học đã sử dụng kính hiển vi điện tử cryo phân giải theo thời gian để quan sát máy móc của động cơ chuyển động chậm. Marlovits giải thích: “Về cơ bản, chúng tôi đã cung cấp cho động cơ RuvB AAA + một loại nhiên liệu đốt cháy chậm hơn, cho phép chúng tôi nắm bắt các phản ứng sinh hóa khi chúng xảy ra.
Nhà khoa học đã chụp được hơn mười triệu hình ảnh về động cơ máy móc tương tác với đường giao nhau Holliday. Jiri Wald (CSSB, UKE và một phần của Chương trình Tiến sĩ Trung tâm Sinh học Vienna), tác giả đầu tiên của bài báo, đã tìm hiểu về lượng dữ liệu khổng lồ và phân loại cẩn thận những thay đổi tinh vi xảy ra trong mỗi hình ảnh. Sử dụng cơ sở máy tính hiệu suất cao tại DESY, các nhà khoa học sau đó có thể ghép tất cả các mảnh ghép lại với nhau để tạo ra một bộ phim có độ phân giải cao mô tả chi tiết cách thức phức hợp RuvAB hoạt động trên quy mô phân tử.
Wald giải thích: “Chúng tôi có thể hình dung bảy trạng thái riêng biệt của động cơ và chứng minh cách các phần tử được kết nối với nhau hoạt động theo chu kỳ”. "Chúng tôi cũng chứng minh rằng động cơ RuvB chuyển đổi năng lượng thành chuyển động đòn bẩy tạo ra lực thúc đẩy sự di chuyển của nhánh. Chúng tôi đã rất ngạc nhiên khi phát hiện ra rằng động cơ sử dụng cơ chế đòn bẩy cơ bản để di chuyển chất nền DNA. Nhìn chung, cơ chế tuần tự, phối hợp và cách tạo lực của động cơ RuvAB có những điểm tương đồng về khái niệm với động cơ đốt trong. "
Động cơ AAA + thường được sử dụng trong các hệ thống sinh học khác, chẳng hạn như vận chuyển protein, do đó, mô hình chi tiết này của động cơ RuvB AAA + có thể được sử dụng làm bản thiết kế cho các động cơ phân tử tương tự. Marlovits giải thích: “Chúng tôi hiểu cách vận hành của động cơ và bây giờ chúng ta có thể đưa động cơ này vào một hệ thống khác với một số điều chỉnh nhỏ. "Về cơ bản, chúng tôi đang trình bày các nguyên tắc cốt lõi cho động cơ AAA +."
Công việc trong tương lai của nhóm Marlovits sẽ khám phá các cách can thiệp vào chức năng của động cơ AAA +. Điều này có thể tạo cơ sở cho sự phát triển của một thế hệ thuốc mới, có thể phá vỡ cơ chế của một động cơ như vậy trong mầm bệnh và do đó ngăn chặn sự lây lan của nhiễm trùng. Wald cho biết: “Chúng tôi rất vui khi khám phá những khả năng hiện có khi chúng tôi có bản thiết kế của động cơ RuvB AAA +.
Các nhà khoa học từ CSSB, UKE, Viện Công nghệ Sinh học Phân tử, Viện Nghiên cứu Bệnh học Phân tử, ở Vienna, Áo và DESY đã đóng góp vào nghiên cứu này.
CSSB là một sáng kiến chung của mười đối tác nghiên cứu từ miền Bắc nước Đức, bao gồm ba trường đại học và sáu viện nghiên cứu dành riêng cho nghiên cứu sinh học nhiễm trùng.
Nguồn Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY
