Usando uma combinação de técnicas computacionais e experimentais, uma equipe de pesquisa da Universidade de Massachusetts Amherst liderada pela bióloga molecular Lila Gierasch desmistificou a via de comunicação entre domínios em uma família de proteínas conhecida como Hsp70s - um alvo principal de dezenas de laboratórios de pesquisa que tentam desenvolver novos medicamentos anticâncer, antibióticos e tratamentos para as doenças de Alzheimer e Parkinson.

Gierasch diz, "Este nos apresentou um grande desafio científico, porque todas as técnicas que normalmente usamos para observar a comunicação entre os diferentes domínios nas proteínas ficam presas quando os alvos são flexíveis e não rígidos, e o linker entre domínios em Hsp70s é muito flexível. Tivemos que ser inteligentes em nossa abordagem. "Os detalhes estão no Journal of Biological Chemistry .

Como ela explica, proteínas de choque térmico na família Hsp70 - peso molecular 70 - são "uma classe realmente importante de chaperones moleculares que têm muitas funções importantes na célula, incluindo a ligação a proteínas cliente para auxiliar seu dobramento, ou para evitar que se agregem patologicamente, ou para mantê-los desdobrados para que possam passar como fios através de uma membrana. "

Ela descreve as três partes de uma proteína Hsp70 dobrada como um domínio de ligação de nucleotídeo e um domínio de ligação de substrato ligado por um linker interdomínio "misterioso", que se torna parte da estrutura quando uma pequena molécula, trifosfato de adenosina (ATP), liga-se ao Hsp70. Quando o ATP libera energia para o uso da célula, muda para difosfato de adenosina (ADP). "Você pode pensar nesta máquina molecular como um aparelho de Rube Goldberg, "ela observa." Nós sabemos há anos que o pequeno linker que conecta os dois domínios é importante, e quando o ATP está presente, ele faz parte da estrutura colapsada de dois domínios. Mas com ADP presente, os domínios se movem de forma independente. A função do vinculador neste caso era desconhecida, e colocou um quebra-cabeça que era muito difícil de decifrar. "

Diante de métodos experimentais diretos limitados para observar os movimentos do linker, Gierasch e o pesquisador de pós-doutorado Charles English, colaborando com o professor adjunto Woody Sherman, também CSO da Silicon Therapeutics, Boston, conduziu um estudo computacional para entender a gama de posições possíveis do linker. Eles usaram uma técnica chamada dinâmica molecular, que usa as equações de movimento de Newton para simular como os átomos e as moléculas se movem. Isso foi auxiliado pelo enorme poder de computação das unidades de processamento gráfico e pelo vizinho Massachusetts Green High Performance Computing Center multiuniversitário em Holyoke.

Gierasch disse Wenli Meng, um mestre em técnicas de ressonância magnética nuclear (NMR), obtiveram dados de NMR que validaram as simulações. O ligante tem apenas 12 aminoácidos de comprimento, e Meng foi capaz de extrair informações de linker diretamente entre 636 aminoácidos. "Essa foi uma contribuição significativa para o nosso trabalho, "ela observa." Isso nos deu uma impressão digital experimental para comparar com o que a simulação de computador disse, e ficamos encantados com o acordo firme. A combinação dos dados de NMR com nossas simulações tornou nossas descobertas muito mais fortes. A integração de várias disciplinas está avançando muito na pesquisa em ciências da vida como esta. "

Ela relata, "Acontece que quando você olha para este linker com atenção, é como uma junta universal em um carro. "Para Gierasch, que reconstruiu um MG com peças como um estudante de graduação, esta analogia não é tão improvável quanto se possa pensar. "No mecanismo do eixo de transmissão, existem peças rígidas conectadas por juntas, e é isso que este linker tem, três peças rígidas conectadas por dobradiças flexíveis. O resultado é que os dois domínios amarrados pelo linker restringiram a rotação um em relação ao outro. Portanto, esse ligante de proteína não é como um macarrão ou um pedaço de lã. É rígido em alguns lugares, mas flexível em outros, e, para facilitar o funcionamento adequado do acompanhante, pode se torcer de forma a facilitar o mecanismo do acompanhante, mas não pode ir a qualquer lugar. "

Um "bônus imprevisto", ela acrescenta, está descobrindo que o ligante fez pausas frequentes em um bolso no domínio de ligação ao substrato, "isso dá a você um local de ligação potencial para atingir com uma droga. Não sabíamos sobre este pequeno bolso antes, mas agora podemos imaginar uma maneira de interromper o ciclo de dobramento assistido por acompanhantes, projetando uma pequena molécula que se ligará a esse local. "

Gierasch reconhece que esse avanço é, por si próprio, apenas uma etapa em um longo processo, na verdade, um que ela vem treinando há décadas. "Mas é assim que a ciência funciona, um passo de cada vez. Com cada peça do quebra-cabeça que você coloca, ele esclarece o quadro mais amplo. "Ela e os co-autores escrevem que a compreensão aprimorada do papel do linker interdomínio que eles agora caracterizam" preenche mais uma lacuna na compreensão de como essas máquinas moleculares realizam suas inúmeras funções fisiológicas. "Este trabalho deve ser útil para a pesquisa. em alvos de Hsp70 para câncer, Doença de Alzheimer e Parkinson e desenvolvimento de novos antibióticos, eles acrescentam.

"Além disso, ligantes aparentemente flexíveis são amplamente difundidos em moléculas de sinalização em biologia, e nosso trabalho ilustra a importância de estudar os papéis dessas unidades aparentemente flexíveis em profundidade. Delinear suas paisagens conformacionais vai lançar luz sobre como eles podem retransmitir informações de uma região de uma molécula para outra. "

Gierasch acrescenta, "Diz-se que as células cancerosas são absolutamente viciadas em Hsp70s porque estão produzindo muitas proteínas em grande quantidade, e esses acompanhantes estão cumprimentando cada proteína recém-sintetizada e facilitando a adoção de uma estrutura adequada, é por isso que as pessoas estão tão interessadas neles. Se você os inibir, diminuirá o crescimento do câncer. O problema é que você também deixaria outras células doentes. "Além disso, novos antibióticos podem ser desenvolvidos a partir da inibição de Hsp70s bacterianas específicas, e porque Hsp70s ajudam a proteger as células contra a agregação de proteínas, inibi-los ou manipulá-los pode levar a novos tratamentos para as doenças raras resultantes da aglomeração de proteínas.