دانشمندان بنگالورو به یافتن نوع جدیدی از موتور مولکولی کمک کردند

Anupam Singh، محققی در NCBS، از ابزاری به عنوان بخشی از مطالعه استفاده می کند. | اعتبار عکس: آنوپام سینگ/آرایش ویژه

یک تیم بین المللی از محققان، از جمله از مرکز ملی علوم زیستی (NCBS)، بنگالورو، نوع جدیدی از موتور مولکولی را گزارش کرده اند. این یافته که به خودی خود مهم است، همچنین دری را به روی فرآیندهای سلولی پیش‌بینی نشده و کاربردهای بالقوه در زیست‌شناسی و پزشکی باز می‌کند.

مقاله آنها در فیزیک طبیعت در 4 می

موتور مولکولی چیست؟

هر سلول در بدن سوپ پیچیده ای از واکنش های الکتروشیمیایی است که انرژی تولید می کند، اما کافی نیست. سلول ها همچنین باید چیزهایی را جابجا کنند، مانند کشیدن دو اندامک به هم، حرکت محموله ها به سمت و دور از هسته، و قدرت حرکت مولکول های درون سلولی.

بسیاری از این اعمال توسط موتورهای مولکولی هدایت می شوند که از انرژی بیوشیمیایی برای انجام کارهای مکانیکی استفاده می کنند.

Saikat Chowdhury، دانشمند ارشد در مرکز زیست شناسی سلولی و مولکولی CSIR، حیدرآباد، در ایمیلی گفت: “اختلال یا عدم تنظیم در این فرآیندها می تواند منجر به اثرات مضری شود که می تواند به صورت بیماری های مختلف ظاهر شود.” او در مطالعه جدید شرکت نداشت.

در مقاله ای در سال 2016، محققان استرالیایی و آلمانی گزارش دادند که وقتی آنزیمی به نام Rab5 به پروتئین طولانی به نام EEA1 متصل می شود، پروتئین شکل محکم و سفت خود را از دست می دهد و فلاپی می شود. این “فروپاشی” دو غشای داخل یک سلول را به یکدیگر نزدیکتر می کند.

مطالعه جدید چه چیزی را نشان داده است؟

در مطالعه جدید، محققان گزارش کرده‌اند که EEA1 شکل سفت و سخت خود را در مکانیسم دیگری به دست می‌آورد تا بتواند دوباره فلاپی شود تا غشاها را نزدیک‌تر کند و نوع جدیدی از موتور مولکولی دو بخشی ایجاد کند.

در زمان انتشار مقاله 2016، مشخص نبود که آیا EEA1 می تواند شکل سفت و سخت خود را از سر بگیرد، به طوری که کل فرآیند بدون کمک پروتئین های دیگر تکرار شود.

محققان استدلال کردند که باید شکل سفت‌تر خود را از سر بگیرد زیرا EEA1 روی هزاران غشا کار می‌کند و ایجاد مولکولی به بزرگی پروتئین برای هر جفت غشاء بیهوده خواهد بود.

در بیش از 200 نانومتر، EEA بیش از 100 برابر طولانی تر از پروتئین های معمولی است.

“یک سوال طولانی مدت در این زمینه این است که چگونه مولکول های EEA1 مانند به ساختار دراز خود باز می گردند”. دکتر چاودوری گفت که مطالعه جدید برای اولین بار به این سوال می پردازد.

NCBS & co. گروه گزارش داد که EEA1 از واکنشی به نام هیدرولیز GTP انرژی می گیرد تا دوباره صلب شود. هیدرولیز GTP توسط آنزیم هایی به نام GTPases انجام می شود. Rab5 یکی از این موارد است.

Shashi Thutupalli، یکی از نویسندگان این مقاله، گفت: “با توجه به جفت شدن همه جا GTPase های کوچک با چنین مولکول های طولانی در سلول های یوکاریوتی، ما معتقدیم که این یک کلاس جدید از ماشین های مولکولی را نشان می دهد که به عنوان موتور به روشی منحصر به فرد و با اثرات جمعی جدید کار می کنند.” مطالعه، در یک ایمیل گفت.

دکتر Thutupalli با مرکز Simons برای مطالعه ماشین‌های زنده، NCBS است. همکاران او با موسسه زیست شناسی سلولی مولکولی و ژنتیک ماکس پلانک و کلاستر فیزیک عالی زندگی، TU Dresden (هر دو در آلمان) هستند.

چرا یافته مهم است؟

آنها چندین مورد جدید را در یافته های خود گزارش کرده اند. موتور مانند اکثر موتورها حرکت اهرمی عقب و جلو ایجاد نمی کند، اما به یک مولکول اجازه می دهد تا انعطاف پذیری خود را بین دو حالت تغییر دهد. همچنین، بیشتر موتورهای مولکولی انرژی خود را از مولکول دیگری به نام ATP دریافت می کنند، در حالی که موتور Rab5-EEA1 از GTP استفاده می کند.

دکتر توتوپالی گفت: «تقریباً همه موتورهای دیگری که ما می‌شناسیم «راه می‌روند»: آنها به یک سمت می‌روند، در حالی که «این موتور … فرو می‌ریزد و دوباره در همان مکان گسترش می‌یابد».

EEA1 زمانی که فلاپی است می تواند یکی از چندین تریلیون شکل را داشته باشد، اما زمانی که سفت است می تواند تنها یک شکل (میله مانند) داشته باشد. به گفته دکتر توتوپالی، حالت فلاپی آنتروپی بیشتری دارد و بنابراین از نظر آنتروپی مورد علاقه است. بنابراین وقتی از حالت سفت به فلاپی می رسد، نیروی آنتروپیک بر غشاهایی که می کشد وارد می کند.

“هیچ موتور دیگری از این نیرو استفاده نمی کند.”

کاربردهای بالقوه چیست؟

یافتن چگونگی حرکت یک مولکول منفرد در داخل یک سلول دشوار است، اما دکتر توتوپالی گفت که دو دانشجو به نام‌های آنوپام سینگ و جوآن آنتونی سولر راهی «هوشمندانه» پیدا کردند. آنها به جای تلاش برای مطالعه کل پروتئین، یک مولکول فلورسنت کوچک را به یک انتهای EEA1 متصل کردند، “مانند مگس در بالای منار قطب”.

سپس آنها از طیف‌سنجی همبستگی فلورسانس برای ردیابی نحوه حرکت مولکول فلورسنت هنگام تعامل Rab5 و EEA1 استفاده کردند.

آنها این مشاهدات را با مفهومی در مکانیک ترکیب کردند که به مهندسان اجازه می دهد سفتی یک جسم را تنها با مشاهده یک سر محاسبه کنند.

دکتر چاودوری گفت: “این مطالعه نه تنها برای درک همجوشی غشاء توسط EEA1 مرتبط است، بلکه مکانیسم کلی را ارائه می دهد که برای بسیاری از پروتئین ها یا مجموعه های مکانیکی شیمیایی که انرژی شیمیایی هیدرولیز نوکلئوتید را برای کار مکانیکی در سلول مهار می کنند، قابل استفاده است.”