Por primera vez, Los investigadores han observado las bombas de iones que activan el transporte celular y los sistemas de señales. Esto asegura la función de los mecanismos biomoleculares.

Cada bomba de calcio mide solo unos pocos nanómetros en cada dirección, y reside en las membranas celulares. Pero a pesar de su diminuto tamaño, es crucial para la vida. Esta bomba es la razón por la que nuestros músculos pueden contraerse, y que las neuronas pueden enviar señales. Si la pequeña bomba dejaba de funcionar, las células dejarían de comunicarse. Esta es la razón por la que las células usan tanta energía:aproximadamente una cuarta parte del combustible del cuerpo, conocido como ATP - para mantener las bombas funcionando.

Hay muchas cosas que todavía desconocemos sobre la estructura y función de esta bomba vital. El conocimiento sobre la bomba es esencial para comprender el equilibrio energético y otras funciones importantes del cuerpo.

Un grupo de investigación danés acaba de publicar un nuevo estudio que muestra por primera vez cómo funciona la bomba a nivel de una sola molécula, y cómo asegura que los iones se bombeen en la dirección correcta. En otras palabras, cómo funciona la bomba como calle molecular de un solo sentido. El descubrimiento acaba de ser publicado en la prestigiosa revista Naturaleza .

"Este trabajo representa el siguiente paso de una búsqueda profunda e importante para comprender la estructura y función atómicas de la bomba. Ahora estamos un paso más cerca de comprender cómo las bombas de iones aseguran las funciones de las células. Hemos caracterizado cómo bombea iones fuera de la célula a un nivel de detalle sin precedentes. La importancia de un conocimiento tan básico de los procesos biofísicos solo puede subestimarse. Tendrá una gran influencia en nuestra comprensión de los procesos de la vida y, a tiempo, sobre el tratamiento de enfermedades, ", dice el profesor Poul Nissen. El profesor Nissen es uno de los principales expertos mundiales en esta familia de bombas y coautor del artículo.

El respaldo molecular

Hasta cierto punto, la historia comenzó en la década de 1950, cuando el profesor Jens Christian Skou hizo su trabajo pionero en la Universidad de Aarhus, que descubrió las funciones de bombeo en nuestras células. La bomba de calcio es un primo cercano de la bomba de sodio-potasio en la que trabajó Skou, y utilizan un mecanismo de bombeo similar. El trabajo de Skou le valió el Premio Nobel de Química en 1997. Desde entonces, Numerosos investigadores han estudiado el mecanismo y la función de estas bombas, incluidos muchos en el Centro de Bombas de Membrana en Células y Enfermedades (PUMPkin) de la Universidad de Aarhus.

Una idea clave de la nueva publicación se refiere a la naturaleza unidireccional del transporte de iones. Previamente, Se asumió que la naturaleza unidireccional de la bomba surgió en la escisión de la molécula rica en energía ATP. La hipótesis era que cuando se escindía el ATP, la bomba no pudo dar marcha atrás y reformar el ATP. Eso resultó ser incorrecto.

"Hemos identificado un nuevo estado cerrado en el ciclo de bombeo, donde la bomba solo puede entrar si el ión calcio proviene de los fluidos intracelulares y la bomba ha escindido el ATP. No puede alcanzar este estado si el ion proviene del entorno de la célula. Cuando se libera calcio de este estado, es el "punto sin retorno". Este es el mecanismo que explica que la bomba funcione como bomba y no solo como canal pasivo. Esta información realmente única se basa en experimentos muy avanzados. Estos experimentos nos permiten ver directamente la bomba haciendo su trabajo por primera vez, "dice el becario postdoctoral Mateusz Dyla, el primer autor del nuevo artículo.

La bomba de calcio necesita energía, que se obtiene al escindir una molécula de ATP. La energía liberada se convierte en el trabajo de la bomba. Esto explica cómo se acumulan grandes gradientes de concentración entre el interior y el exterior de la celda. La diferencia de concentración puede ser superior a 10, 000 veces, y esta gran diferencia es esencial para la comunicación entre células, como en la señalización nerviosa.

Humo y espejos

La razón por la que los experimentos son tan complejos es bastante clara. La bomba es tan pequeña que no se puede obtener imágenes directamente en un microscopio óptico. Hasta aquí, y con gran dificultad, Los investigadores han creado modelos moleculares de estados estables de la bomba utilizando una técnica conocida como cristalografía de rayos X. Esto es análogo a una película stop-motion. Los científicos se han referido en broma a su visualización del movimiento de la bomba entre estos estados como "Pump Fiction". El nuevo estudio, que ha sido de cinco años en la fabricación, mueve la visualización de stop motion a imágenes en vivo de los movimientos funcionales de la bomba. La mejora técnica en las técnicas microscópicas ha permitido observar el nuevo estado.

La técnica se conoce como espectroscopia de fluorescencia de molécula única, y utiliza un fenómeno conocido como transferencia de energía de resonancia de Förster, en pocas palabras FRET. Aquí, La luz láser intensa y las cámaras ultrasensibles se combinan para permitir la observación directa de una sola molécula a través de la pequeña cantidad de luz que emite cada molécula.

El grupo de investigación ha aprovechado una bomba de calcio de la bacteria Listeria, que se preparó para los estudios mediante ingeniería de proteínas. La ingeniería de la proteína por sí sola tardó varios años en completarse.

En los experimentos FRET, dos moléculas de tinte están unidas a la proteína, que luego se ilumina con luz láser. Un tinte el donante, absorbe la luz láser y la emite con un color característico, o, alternativamente, transfiere la energía al otro tinte, el aceptador. Esto luego emitirá luz con otro color. De este modo, los dos tintes emitirán luz, y los científicos pueden medir la distancia entre los dos tintes midiendo cuánta luz se emite de cada color. Debido a que los tintes se han insertado cuidadosamente en dos posiciones específicas en la bomba, estos cambios de distancia siguen los movimientos de bombeo de la bomba.

La técnica de una sola molécula permitió los nuevos descubrimientos, como lo explicó el compañero Magnus Kjærgaard, Instituto de Estudios Avanzados de Aarhus (AIAS), quien también contribuyó al descubrimiento.

"Hemos pasado de 'Pump Fiction' a 'Pump Live'. Anteriormente, siempre registramos las señales de muchas moléculas al mismo tiempo, que difumina los movimientos. Usando técnicas FRET de molécula única, podemos centrarnos en una molécula a la vez, lo que nos permite observar directamente los cambios estructurales. Esto nos proporciona un video de la bomba en acción con menos espacios. Nuestra película Pump Fiction inicialmente recibió su nombre porque sabíamos que las transiciones entre los diferentes estados del ciclo eran ficticias, y que podría haber conocimientos adicionales ocultos en las brechas entre los estados conocidos. Ahora lo hemos demostrado en abundancia, y al mismo tiempo reveló nuevos conocimientos fundamentales sobre cómo funciona la bomba, " él dice.

Además de aumentar nuestro conocimiento de los procesos básicos de la vida, la comprensión de estas bombas también puede tener aplicaciones prácticas. Las mutaciones en las bombas pueden causar defectos en las células cerebrales, y esto puede causar trastornos neurológicos como migraña, parálisis temporal o trastornos neurodegenerativos.

Los mecanismos de estas bombas de iones son fundamentales para comprender los errores en la bomba, especialmente con el fin de desarrollar nuevos fármacos dirigidos a la bomba.

"Aún no hemos llegado a la etapa en la que podamos transferir nuestra investigación sobre bombas de iones al tratamiento de enfermedades. Sin embargo, Los nuevos conocimientos han llevado a ideas que pueden usarse para desarrollar el tratamiento de defectos en la señalización neuronal. por ejemplo. Pero esto es trabajo para el futuro. Ahora, hay muchas razones para celebrar la revelación de los detalles íntimos de una de las enzimas más importantes de la vida. El trabajo se ha basado en grandes colaboraciones aquí en la universidad, y con investigadores en Estados Unidos. Ya hemos comenzado nuevas colaboraciones emocionantes que nos permitirán dar los siguientes pasos, "dice el profesor Poul Nissen.