Los motores moleculares son dispositivos complejos compuestos por muchas partes diferentes que consumen energía para realizar diversas actividades celulares. En resumen, las máquinas moleculares transforman la energía en trabajo útil. La comprensión de los aspectos mecánicos subyacentes a estos motores comienza con la generación de una descripción detallada de su arquitectura general y organización atómica. Sin embargo, para descubrir los mecanismos centrales que energizan estos motores, es esencial decodificar toda la dinámica molecular en detalle atómico.

Ahora, el equipo de investigación de Thomas C. Marlovits del Centro de Biología de Sistemas Estructurales CSSB en DESY y el Centro Médico Universitario Hamburg-Eppendorf (UKE) en Hamburgo revela la arquitectura, el ciclo funcional completo y el mecanismo de dicho motor molecular. Informan en la revista Nature , cómo un "complejo de migración de ramas RuvAB" convierte la energía química en trabajo mecánico para realizar la recombinación y reparación del ADN.

La recombinación del ADN es uno de los procesos biológicos más fundamentales en los organismos vivos. Es el proceso por el cual los cromosomas "intercambian" el ADN ya sea para generar diversidad genética, creando nueva descendencia, o para mantener la integridad genética, reparando roturas en los cromosomas existentes. Durante la recombinación de ADN, cuatro brazos de ADN se separan de sus formaciones de doble hélice y se unen en una intersección conocida como unión de Holliday. Aquí, los brazos del ADN intercambian hebras en un proceso llamado migración activa de ramas.

La energía esencial necesaria para que ocurra esta migración de ramas proviene de una maquinaria molecular que los científicos han etiquetado como el complejo de migración de ramas RuvAB. Este complejo se ensambla alrededor del cruce de Holliday y está compuesto por dos motores etiquetados RuvB AAA+ ATPasas, que alimentan la reacción, y un estator RuvA. El equipo de investigación ahora ha proporcionado un plan complejo que explica cómo funcionan los motores RuvB AAA+ bajo la regulación de la proteína RuvA para realizar un movimiento de ADN sincronizado.

Las migraciones de ramas activas energizadas por la molécula motora RuvB AAA+ son muy rápidas y altamente dinámicas. Para determinar los pasos individuales de este proceso, los científicos utilizaron criomicroscopía electrónica de resolución temporal para observar la maquinaria del motor en cámara lenta. "Básicamente, proporcionamos al motor RuvB AAA+ un combustible de combustión más lenta que nos permitió capturar las reacciones bioquímicas a medida que ocurren", explica Marlovits.

El científico capturó más de diez millones de imágenes de la maquinaria del motor interactuando con el cruce de Holliday. Jiri Wald (CSSB, UKE y parte del programa de doctorado del BioCenter de Viena), el primer autor del artículo, revisó la inmensa cantidad de datos y clasificó cuidadosamente los cambios sutiles que ocurren en cada imagen. Usando la instalación informática de alto rendimiento en DESY, los científicos pudieron juntar todas las piezas del rompecabezas para generar una película de alta resolución que detalla cómo funciona el complejo RuvAB a escala molecular.

"Pudimos visualizar siete estados distintos del motor y demostrar cómo los elementos interconectados funcionan juntos de manera cíclica", explica Wald. "También demostramos que el motor RuvB convierte la energía en un movimiento de palanca que genera la fuerza que impulsa la migración de las ramas. Nos asombró el descubrimiento de que los motores usan un mecanismo de palanca básico para mover el sustrato de ADN. En general, el mecanismo secuencial, la coordinación y la forma de generación de fuerza del motor RuvAB comparten similitudes conceptuales con los motores de combustión".

Los motores AAA+ se utilizan a menudo en otros sistemas biológicos, como el transporte de proteínas, por lo que este modelo detallado del motor RuvB AAA+ puede utilizarse como modelo para motores moleculares similares. "Entendemos cómo funciona el motor y ahora podemos poner este motor en otro sistema con algunas adaptaciones menores", explica Marlovits. "Básicamente, estamos presentando los principios fundamentales para los motores AAA+".

El trabajo futuro del grupo Marlovits explorará formas de interferir con la función de los motores AAA+. Esto podría proporcionar la base para el desarrollo de una nueva generación de medicamentos, que interrumpiría los mecanismos de dicho motor en los patógenos y, por lo tanto, detendría la propagación de la infección. "Estamos emocionados de explorar las posibilidades que existen ahora que tenemos un modelo del motor RuvB AAA+", señala Wald. + Explora más

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