Konstnärlig representation av Holliday-korsningen och RuvB-motorerna. Kredit:CSSB, Nicola Graf
Molekylära motorer är komplexa enheter som består av många olika delar som förbrukar energi för att utföra olika cellulära aktiviteter. Kort sagt, molekylära maskiner omvandlar energi till nyttigt arbete. Att förstå de mekanistiska aspekterna bakom dessa motorer börjar med att generera en detaljerad beskrivning av deras övergripande arkitektur och atomära organisation. Men för att avslöja kärnmekanismerna som aktiverar dessa motorer är det viktigt att avkoda all molekylär dynamik i atomär detalj.
Nu avslöjar forskargruppen Thomas C. Marlovits från Centre for Structural Systems Biology CSSB vid DESY och University Medical Center Hamburg-Eppendorf (UKE) i Hamburg arkitekturen, den fullständiga funktionella cykeln och mekanismen för en sådan molekylär motor. De rapporterar i tidskriften Nature , hur ett "RuvAB branch migration complex" omvandlar kemisk energi till mekaniskt arbete för att utföra rekombination och reparation av DNA.
DNA-rekombination är en av de mest grundläggande biologiska processerna i levande organismer. Det är den process genom vilken kromosomer "byter" DNA antingen för att generera genetisk mångfald, genom att skapa ny avkomma, eller för att bibehålla genetisk integritet, genom att reparera avbrott i befintliga kromosomer. Under DNA-rekombination separeras fyra DNA-armar från sina dubbelhelixformationer och förenas vid en korsning som kallas Holliday-korsning. Här utbyter DNA-armarna strängar i en process som kallas aktiv grenmigrering.
Den nödvändiga energin som behövs för att denna grenmigrering ska inträffa kommer från ett molekylärt maskineri som forskare har märkt som RuvAB-grenmigreringskomplexet. Detta komplex monteras runt Holliday-korsningen och är gjord av två motorer märkta RuvB AAA+ ATPaser, som driver reaktionen, och en RuvA-stator. Forskargruppen har nu tillhandahållit en intrikat ritning som förklarar hur RuvB AAA+-motorerna fungerar under regleringen av RuvA-proteinet för att utföra synkroniserad DNA-rörelse.
De aktiva grenmigreringarna som aktiveras av RuvB AAA+ motormolekylen är mycket snabba och mycket dynamiska. För att bestämma de individuella stegen i denna process använde forskarna tidsupplöst kryoelektronmikroskopi för att observera motorns maskineri i slow motion. "Vi försåg i princip RuvB AAA+-motorn med ett långsammare brinnande bränsle som gjorde att vi kunde fånga de biokemiska reaktionerna när de inträffar", förklarar Marlovits.
Forskaren tog över tio miljoner bilder av motormaskineriet som interagerar med Holliday-korsningen. Jiri Wald (CSSB, UKE och en del av Vienna BioCenter Ph.D. Program), tidningens första författare, kammade igenom den enorma mängden data och klassificerade noggrant de subtila förändringarna som inträffade i varje bild. Med hjälp av den högpresterande beräkningsanläggningen på DESY kunde forskarna sedan lägga alla pusselbitarna för att skapa en högupplöst film som beskriver hur RuvAB-komplexet fungerar på molekylär skala.
"Vi kunde visualisera sju distinkta tillstånd av motorn och demonstrera hur de sammankopplade elementen fungerar tillsammans på ett cykliskt sätt", förklarar Wald. "Vi visade också att RuvB-motorn omvandlar energi till en hävstångsrörelse som genererar kraften som driver grenmigrering. Vi blev förvånade över upptäckten att motorerna använder en grundläggande hävstångsmekanism för att flytta DNA-substratet. Sammantaget, den sekventiella mekanismen, koordination och kraftgenereringssätt för RuvAB-motorn delar konceptuella likheter med förbränningsmotorer."
AAA+-motorer används ofta i andra biologiska system, såsom proteintransport, därför kan denna detaljerade modell av RuvB AAA+-motorn användas som en ritning för liknande molekylära motorer. "Vi förstår hur motorn fungerar och nu kan vi sätta in den här motorn i ett annat system med några mindre anpassningar", förklarar Marlovits. "Vi presenterar i huvudsak kärnprinciper för AAA+-motorer."
Marlovits-gruppens framtida arbete kommer att undersöka sätt att störa funktionen hos AAA+-motorer. Detta skulle kunna utgöra grunden för utvecklingen av en ny generation läkemedel, som skulle störa mekanismerna hos en sådan motor hos patogener och därmed stoppa smittspridningen. "Vi är glada över att utforska möjligheterna som finns nu när vi har en ritning av RuvB AAA+-motorn", konstaterar Wald. + Utforska vidare
