Visualizando o movimento do motor molecular:A sintase FoF1 é orientada de modo que o componente F1 seja anexado por meio de ligações de histidina a uma lâmina de microscópio revestida de níquel (retângulo cinza). Um nanorod de ouro é ligado por avidina-biotina ao anel da subunidade c do complexo Fo (representado por faixas cinza claro e escuro), que giram em relação à subunidade-a (pinos verdes brilhantes). Um eixo (verde escuro) conecta os motores FoF1. O nanodisco de estabilização é retratado com segmentos azuis e halteres de bicamada lipídica marrom.
Capacitado por uma doação de US $ 1,2 milhão do National Institutes of Health (NIH), O cientista da Universidade do Estado do Arizona, Wayne Frasch, está decifrando como um dos menores motores moleculares do mundo funciona em células vivas. No processo, ele também está lançando luz sobre um quebra-cabeça da física que deixa os cientistas perplexos há mais de 40 anos.
Frasch, professor da Escola de Ciências da Vida, examina o motor molecular Fo, seu mecanismo de ação e como ele se associa ao motor F1 como parte da FoF1 ATP sintase. Com cerca de 10 nanômetros de diâmetro, cada motor é 10, 000 vezes menor que a largura de um pedaço de papel. Em coisas vivas, Fo e F1 são fixados por um eixo rotativo comum que permite que os dois motores trabalhem juntos e forneçam energia às células na forma de trifosfato de adenosina (ATP).
A pesquisa de motores em nanoescala não é complicada apenas pelo tamanho. Os motores moleculares operam por meio de movimentos extremamente pequenos que ocorrem em escalas de tempo extraordinariamente difíceis de medir. O motor molecular Fo também está embutido na membrana lipídica de uma célula viva, que tem apenas duas moléculas de espessura. Somando-se ao desafio experimental está o fato de que a energia rotacional dos motores moleculares surge do fluxo de prótons, partículas atômicas carregadas positivamente, através dessa membrana.
O laboratório Frasch está entre apenas alguns laboratórios equipados para visualizar como uma única molécula do motor Fo gira. Frasch e seus colegas do ASU College of Liberal Arts and Sciences desenvolveram um sistema experimental que incorpora o motor Fo em uma bicamada fosfolipídica artificial estabelecida em nanodiscos, que ajudam a estabilizar os complexos moleculares. O grupo de Frasch então concebeu uma estratégia de imagem, usando nanobastões de ouro ligados a Fo para monitorar a rotação das moléculas de FoF1 individuais.
“Saber mais sobre esses minúsculos, mas extraordinariamente eficientes - quase 100 por cento - motores moleculares oferecem uma avenida para o desenvolvimento de novas tecnologias, como fontes de energia para nanodispositivos eficientes em termos de combustível e aplicações de nanotecnologia, como detecção molecular, computação e biomedicina, ”Frasch diz.
Um dos primeiros resultados dos experimentos FoF1 de Frasch e da equipe ASU, publicado recentemente no EMBO Journal, fornece novas pistas atraentes para um velho enigma:uma catraca browniana proposta pela primeira vez pelo físico Richard Feynman há mais de 40 anos.
“Estudos anteriores do motor Fo levaram os pesquisadores a propor que Fo contém uma catraca molecular capaz de desviar o movimento browniano, o movimento aleatório das moléculas, de uma forma que favoreça a rotação na direção da síntese de ATP, ”Diz Frasch. “No entanto, pouca evidência existia para o tipo de interrupções periódicas na rotação consistente com este tipo de mecanismo de catraca. ”
O que se sabia é que o fluxo de prótons através da membrana através dos canais de Fo em uma subunidade estática - “a” aciona a rotação no sentido horário do rotor do anel “c” composto por 10 subunidades c, cada uma transportando um único próton. Esta rotação no sentido horário, por sua vez, conduz a síntese de ATP, que ocorre no motor F1 porque o anel em C se liga a uma extremidade do eixo que liga as unidades Fo e F1.
Usando um nanobastão de ouro ligado ao anel c de uma única molécula de FoF1, O grupo de Frasch pode examinar a rotação do motor com mais profundidade. O grupo mede as mudanças na intensidade da luz do nanobastão de ouro à medida que ele (e o anel c) gira, o que permite que a equipe da ASU “veja” se o movimento rotativo do anel em C é interrompido periodicamente. “Quando a subunidade-a agarrou na subunidade-c, a interação se comportou como uma guia, permitindo que o anel C gire, mas a um limite de incrementos de 36 graus enquanto acionado - como uma catraca, ”Frasch diz, “Essa interrupção periódica só ocorreu em condições em que havia arrasto suficiente no nanorod para desacelerar o motor, semelhantes às condições encontradas em uma célula viva onde o ATP é mantido em um nível alto. ”
Com o novo financiamento do NIH, O grupo de pesquisa da Escola de Ciências da Vida de Frasch examinará se a guia é um componente da tão procurada catraca Browning. Entender como ou se o movimento browniano é aproveitado em uma catraca molecular tem potencial para uso no desenvolvimento de motores moleculares sintéticos com baixo consumo de energia e produção de energia em nanoescala.
