Visualización del movimiento del motor molecular:la sintasa FoF1 está orientada de modo que el componente F1 se adhiera mediante enlaces de histidina a un portaobjetos de microscopio recubierto de níquel (rectángulo gris). Una nanovarilla de oro está unida por avidina-biotina al anillo de la subunidad c del complejo Fo (representado por bandas de color gris claro y oscuro), que giran en relación con la subunidad a (tacos de color verde brillante). Un eje (verde oscuro) conecta los motores FoF1. El nanodisco estabilizador se representa con segmentos azules y mancuernas de bicapa de lípidos marrones.
Con el poder de una subvención de $ 1.2 millones de los Institutos Nacionales de Salud (NIH), Wayne Frasch, científico de la Universidad Estatal de Arizona, está descifrando cómo funciona en las células vivas uno de los motores moleculares más pequeños del mundo. En el proceso, También está arrojando luz sobre un acertijo de la física que ha dejado perplejos a los científicos durante más de 40 años.
Frasch, profesor de la Facultad de Ciencias de la Vida, examina el motor molecular Fo, su mecanismo de acción y cómo se asocia con el motor F1 como parte de la sintasa de ATP FoF1. Aproximadamente a 10 nanómetros de diámetro, cada motor es 10, 000 veces más pequeño que el ancho de una hoja de papel. En los seres vivos Fo y F1 están unidos por un eje giratorio común que permite que los dos motores trabajen juntos y suministren energía a las células en forma de trifosfato de adenosina (ATP).
La investigación de motores a nanoescala no solo se complica por el tamaño. Los motores moleculares operan a través de movimientos extremadamente pequeños que ocurren en escalas de tiempo que han sido extraordinariamente difíciles de medir. El motor molecular Fo también está incrustado en la membrana lipídica de una célula viva, que tiene solo dos moléculas de espesor. Al desafío experimental se suma el hecho de que la energía de rotación de los motores moleculares surge del flujo de protones, partículas atómicas cargadas positivamente, a través de esa membrana.
El laboratorio de Frasch se encuentra entre los pocos laboratorios equipados para visualizar cómo gira una sola molécula del motor Fo. Frasch y sus colegas de la Facultad de Artes Liberales y Ciencias de la ASU han desarrollado un sistema experimental que integra el motor Fo en una bicapa de fosfolípidos artificial colocada en nanodiscos, que ayudan a estabilizar los complejos moleculares. El grupo de Frasch luego ideó una estrategia de imágenes, utilizando nanobarras de oro unidas a Fo para controlar la rotación de las moléculas de FoF1 individuales.
"Saber más sobre estos pequeños pero extraordinariamente eficientes, casi el 100 por ciento, los motores moleculares ofrecen una vía para el desarrollo de nuevas tecnologías, como fuentes de energía para nanodispositivos de bajo consumo de combustible y aplicaciones de nanotecnología como la detección molecular, informática y biomedicina, ”Dice Frasch.
Uno de los primeros resultados de los experimentos FoF1 de Frasch y el equipo de ASU, publicado recientemente en EMBO Journal, proporciona nuevas pistas tentadoras sobre un viejo acertijo:un trinquete browniano propuesto por primera vez por el físico Richard Feynman hace más de 40 años.
“Estudios previos del motor Fo llevaron a los investigadores a proponer que Fo contiene un trinquete molecular capaz de sesgar el movimiento browniano, el movimiento aleatorio de las moléculas, de una manera que favorezca la rotación en la dirección de la síntesis de ATP, ”Dice Frasch. sin embargo, existía poca evidencia del tipo de interrupciones periódicas en la rotación consistente con este tipo de mecanismo de trinquete ”.
Lo que se sabía es que el flujo de protones a través de la membrana a través de los canales de Fo en una subunidad estática - "a" impulsa la rotación en el sentido de las agujas del reloj del rotor de anillo "c" compuesto por 10 subunidades c que cada uno lanza un solo protón. Esta rotación en el sentido de las agujas del reloj, a su vez, impulsa la síntesis de ATP, que ocurre en el motor F1 porque el anillo en C se une a un extremo del eje que une las unidades Fo y F1.
Usando una nanovarilla de oro unida al anillo C de una sola molécula de FoF1, El grupo de Frasch puede examinar la rotación del motor con más profundidad. El grupo mide los cambios en la intensidad de la luz de la nanovarilla de oro a medida que gira (y el anillo c), lo que permite al equipo de ASU "ver" que el movimiento giratorio del anillo en C se interrumpe periódicamente. "Cuando la subunidad-a se agarró a la subunidad-c, la interacción se comportó como una correa, permitir que el anillo en C gire, pero en un límite de incrementos de 36 grados mientras está enganchado, como un trinquete, "Frasch dice, “Esta interrupción periódica solo ocurrió en condiciones en las que había suficiente resistencia en la nanovarilla para desacelerar el motor, similar a las condiciones que se encuentran en una célula viva donde el ATP se mantiene en un nivel alto ".
Con la nueva financiación de los NIH, El grupo de investigación de la Facultad de Ciencias de la Vida de Frasch examinará si la correa es un componente del codiciado trinquete Browning. Comprender cómo o si el movimiento browniano se aprovecha en un trinquete molecular tiene el potencial de usarse en el desarrollo de motores moleculares sintéticos con bajo consumo de energía y producción de energía a nanoescala.
