Moleculaire motoren zijn complexe apparaten die zijn samengesteld uit veel verschillende onderdelen die energie verbruiken om verschillende cellulaire activiteiten uit te voeren. Kortom, moleculaire machines zetten energie om in nuttig werk. Het begrijpen van de mechanistische aspecten die aan deze motoren ten grondslag liggen, begint met het genereren van een gedetailleerde beschrijving van hun algemene architectuur en atomaire organisatie. Om de kernmechanismen te ontdekken die deze motoren van energie voorzien, is het echter essentieel om alle moleculaire dynamica in atomaire details te decoderen.

Nu onthult het onderzoeksteam van Thomas C. Marlovits van het Center for Structural Systems Biology CSSB bij DESY en het Universitair Medisch Centrum Hamburg-Eppendorf (UKE) in Hamburg de architectuur, de volledige functionele cyclus en het mechanisme van zo'n moleculaire motor. Ze rapporteren in het tijdschrift Nature , hoe een "RuvAB-takmigratiecomplex" chemische energie omzet in mechanisch werk om recombinatie en reparatie van DNA uit te voeren.

DNA-recombinatie is een van de meest fundamentele biologische processen in levende organismen. Het is het proces waarbij chromosomen DNA "verwisselen" ofwel om genetische diversiteit te genereren, door nieuwe nakomelingen te creëren, of om de genetische integriteit te behouden, door breuken in bestaande chromosomen te repareren. Tijdens DNA-recombinatie scheiden vier DNA-armen zich van hun dubbele helixformaties en komen ze samen op een kruispunt dat bekend staat als een Holliday-junctie. Hier wisselen de DNA-armen strengen uit in een proces dat actieve takmigratie wordt genoemd.

De essentiële energie die nodig is om deze takmigratie te laten plaatsvinden, komt van een moleculaire machinerie die wetenschappers hebben bestempeld als het RuvAB-takmigratiecomplex. Dit complex verzamelt zich rond het Holliday-knooppunt en is gemaakt van twee motoren met het label RuvB AAA+ ATPases, die de reactie voeden, en een RuvA-stator. Het onderzoeksteam heeft nu een ingewikkelde blauwdruk geleverd waarin wordt uitgelegd hoe de RuvB AAA+-motoren werken onder de regulatie van het RuvA-eiwit om gesynchroniseerde DNA-beweging uit te voeren.

De actieve takmigraties die worden geactiveerd door het RuvB AAA+ motormolecuul zijn zeer snel en zeer dynamisch. Om de afzonderlijke stappen van dit proces te bepalen, gebruikten de wetenschappers in de tijd opgeloste cryo-elektronenmicroscopie om de machinerie van de motor in slow motion te observeren. "We hebben de RuvB AAA+-motor in feite voorzien van een langzamer brandende brandstof, waardoor we de biochemische reacties konden vastleggen wanneer ze zich voordoen", legt Marlovits uit.

De wetenschapper maakte meer dan tien miljoen beelden van de motormachines die in wisselwerking stonden met het Holliday-knooppunt. Jiri Wald (CSB, UKE en onderdeel van het Vienna BioCenter Ph.D. Program), de eerste auteur van het artikel, kamde de enorme hoeveelheid gegevens door en classificeerde zorgvuldig de subtiele veranderingen die in elk beeld optreden. Met behulp van de high-performance computerfaciliteit van DESY konden de wetenschappers alle puzzelstukjes samenvoegen om een ​​film met hoge resolutie te genereren die gedetailleerd beschrijft hoe het RuvAB-complex functioneert op moleculaire schaal.

"We konden zeven verschillende toestanden van de motor visualiseren en demonstreren hoe de onderling verbonden elementen op een cyclische manier samenwerken", legt Wald uit. "We hebben ook aangetoond dat de RuvB-motor energie omzet in een hefboombeweging die de kracht genereert die de migratie van takken veroorzaakt. We waren verbaasd over de ontdekking dat de motoren een basishefboommechanisme gebruiken om het DNA-substraat te verplaatsen. Over het algemeen is het sequentiële mechanisme, de coördinatie en krachtopwekking van de RuvAB-motor delen conceptuele overeenkomsten met verbrandingsmotoren."

AAA+-motoren worden vaak gebruikt in andere biologische systemen, zoals eiwittransport, daarom kan dit gedetailleerde model van de RuvB AAA+-motor worden gebruikt als blauwdruk voor vergelijkbare moleculaire motoren. "We begrijpen hoe de motor werkt en nu kunnen we deze motor met enkele kleine aanpassingen in een ander systeem plaatsen", legt Marlovits uit. "We presenteren in wezen kernprincipes voor AAA+-motoren."

Het toekomstige werk van de Marlovits-groep zal manieren onderzoeken om de functie van AAA+-motoren te verstoren. Dit zou de basis kunnen vormen voor de ontwikkeling van een nieuwe generatie medicijnen, die de mechanismen van een dergelijke motor in ziekteverwekkers zou verstoren en zo de verspreiding van infecties zou stoppen. "We zijn verheugd om de mogelijkheden te onderzoeken die er zijn nu we een blauwdruk hebben van de RuvB AAA+ motor", merkt Wald op. + Verder verkennen

Eerste elektrische nanomotor gemaakt van DNA-materiaal