Motores moleculares são dispositivos complexos compostos de muitas partes diferentes que consomem energia para realizar diversas atividades celulares. Em suma, as máquinas moleculares transformam energia em trabalho útil. A compreensão dos aspectos mecanicistas subjacentes a esses motores começa com a geração de uma descrição detalhada de sua arquitetura geral e organização atômica. No entanto, para descobrir os mecanismos centrais que energizam esses motores, é essencial decodificar toda a dinâmica molecular em detalhes atômicos.
Agora, a equipe de pesquisa de Thomas C. Marlovits do Centro de Biologia de Sistemas Estruturais CSSB em DESY e do Centro Médico Universitário Hamburg-Eppendorf (UKE) em Hamburgo revela a arquitetura, ciclo funcional completo e o mecanismo de tal motor molecular. Eles relatam na revista Nature , como um "complexo de migração de ramificação RuvAB" converte energia química em trabalho mecânico para realizar a recombinação e reparo do DNA.

A recombinação do DNA é um dos processos biológicos mais fundamentais nos organismos vivos. É o processo pelo qual os cromossomos "trocam" o DNA para gerar diversidade genética, criando novos descendentes, ou para manter a integridade genética, reparando quebras nos cromossomos existentes. Durante a recombinação do DNA, quatro braços de DNA se separam de suas formações de dupla hélice e se unem em uma interseção conhecida como junção Holliday. Aqui os braços de DNA trocam fitas em um processo chamado migração ativa de ramificações.

A energia essencial necessária para que essa migração de ramificações ocorra vem de uma maquinaria molecular que os cientistas rotularam como o complexo de migração de ramificações RuvAB. Este complexo é montado em torno da junção Holliday e é composto por dois motores rotulados RuvB AAA+ ATPases, que alimentam a reação, e um estator RuvA. A equipe de pesquisa agora forneceu um plano intrincado que explica como os motores RuvB AAA + funcionam sob a regulação da proteína RuvA para realizar o movimento sincronizado do DNA.

As migrações de ramos ativos energizadas pela molécula motora RuvB AAA+ são muito rápidas e altamente dinâmicas. Para determinar as etapas individuais desse processo, os cientistas usaram microscopia eletrônica crio-resolvida no tempo para observar a maquinaria do motor em câmera lenta. “Basicamente, fornecemos ao motor RuvB AAA+ um combustível de queima mais lenta, o que nos permitiu capturar as reações bioquímicas à medida que elas ocorrem”, explica Marlovits.

O cientista capturou mais de dez milhões de imagens da maquinaria motora interagindo com a junção Holliday. Jiri Wald (CSSB, UKE e parte do Vienna BioCenter Ph.D. Program), o primeiro autor do artigo, vasculhou a imensa quantidade de dados e classificou cuidadosamente as mudanças sutis que ocorrem em cada imagem. Usando as instalações de computação de alto desempenho do DESY, os cientistas conseguiram juntar todas as peças do quebra-cabeça para gerar um filme de alta resolução detalhando como o complexo RuvAB funciona em escala molecular.

“Conseguimos visualizar sete estados distintos do motor e demonstrar como os elementos interconectados trabalham juntos de maneira cíclica”, explica Wald. "Nós também demonstramos que o motor RuvB converte energia em um movimento de alavanca que gera a força que impulsiona a migração do ramo. Ficamos surpresos com a descoberta de que os motores usam um mecanismo básico de alavanca para mover o substrato de DNA. Em geral, o mecanismo sequencial, coordenação e a maneira de geração de força do motor RuvAB compartilham semelhanças conceituais com os motores de combustão."

Os motores AAA+ são frequentemente usados ​​em outros sistemas biológicos, como o transporte de proteínas, portanto, este modelo detalhado do motor RuvB AAA+ pode ser usado como um modelo para motores moleculares semelhantes. "Entendemos como o motor funciona e agora podemos colocar esse motor em outro sistema com algumas pequenas adaptações", explica Marlovits. "Estamos essencialmente apresentando os princípios fundamentais para motores AAA+."

O trabalho futuro do grupo Marlovits explorará maneiras de interferir na função dos motores AAA+. Isso poderia fornecer a base para o desenvolvimento de uma nova geração de drogas, que interromperia os mecanismos de tal motor em patógenos e, assim, impediria a propagação da infecção. "Estamos empolgados em explorar as possibilidades que existem agora que temos um projeto do motor RuvB AAA+", observa Wald. + Explorar mais

Primeiro nanomotor elétrico feito de material de DNA