Forscher entdecken eine Alternative zu ATP für fadenförmige Motoren in Zellen

Zellen haben die faszinierende Eigenschaft, ihr Inneres ordentlich zu organisieren, indem sie winzige Proteinmaschinen, sogenannte Molekularmotoren, verwenden, die gerichtete Bewegungen erzeugen. Die meisten von ihnen verwenden für ihren Betrieb eine übliche Art von Brennstoff, eine Art chemischer Energie namens ATP.

Jetzt haben Forscher des Max-Planck-Instituts für molekulare Zellbiologie und Genetik (MPI-CBG), des Exzellenzclusters Physik des Lebens (PoL) und des Biotechnologiezentrums (BIOTEC) der TU Dresden in Dresden, Deutschland, und des Nationalen Zentrums für Biological Sciences (NCBS) in Bangalore, Indien, entdeckte ein neuartiges molekulares System, das eine alternative chemische Energie nutzt und einen neuartigen Mechanismus einsetzt, um mechanische Arbeit zu verrichten.

Durch wiederholtes Zusammenziehen und Ausdehnen funktioniert dieser molekulare Motor ähnlich wie ein klassischer Stirlingmotor und hilft, Fracht auf membrangebundene Organellen zu verteilen. Es ist der erste Motor, der zwei Komponenten, zwei unterschiedlich große Proteine, Rab5 und EEA1, verwendet und von GTP anstelle von ATP angetrieben wird. Die Ergebnisse werden in der Zeitschrift veröffentlicht Naturphysik.

Motorproteine ​​sind bemerkenswerte molekulare Maschinen innerhalb einer Zelle, die chemische Energie, die in einem Molekül namens ATP gespeichert ist, in mechanische Arbeit umwandeln. Das prominenteste Beispiel ist Myosin, das unseren Muskeln hilft, sich zu bewegen. Im Gegensatz dazu wurden GTPasen, die kleine Proteine ​​sind, nicht als molekulare Kraftgeneratoren angesehen.

Ein Beispiel ist ein molekularer Motor, der aus zwei Proteinen besteht, EEA1 und Rab5. 2016 entdeckte ein interdisziplinäres Team aus Zellbiologen und Biophysikern in den Gruppen der MPI-CBG-Direktoren Marino Zerial und Stephan Grill und ihrer Kollegen, darunter PoL- und BIOTEC-Forschungsgruppenleiter Marcus Jahnel, dass das kleine GTPase-Protein Rab5 eine Kontraktion auslösen kann EWR1.

Diese fadenförmigen Halteproteine ​​können das in einer Vesikelmembran vorhandene Rab5-Protein erkennen und daran binden. Die Bindung des viel kleineren Rab5 sendet eine Nachricht entlang der länglichen Struktur von EEA1 und erhöht dadurch seine Flexibilität, ähnlich wie das Kochen Spaghetti weicher macht. Eine solche Flexibilitätsänderung erzeugt eine Kraft, die das Vesikel in Richtung der Zielmembran zieht, wo Docking und Fusion stattfinden.

Das Team stellte jedoch auch die Hypothese auf, dass EEA1 einfach durch Interaktion mit Rab5 zwischen einem flexiblen und einem starren Zustand wechseln könnte, ähnlich einer mechanischen Motorbewegung.

Hier setzt die aktuelle Forschung an, die durch die Promotionsarbeiten der beiden Erstautoren der Studie Gestalt annimmt. Joan Antoni Soler aus der Forschungsgruppe von Marino Zerial am MPI-CBG und Anupam Singh aus der Gruppe von Shashi Thutupalli, einem Biophysiker am Simons Center for the Study of Living Machines am NCBS in Bangalore, machten sich daran, diesen Motor experimentell in Aktion zu beobachten.

Mit einem experimentellen Design zur Untersuchung der Dynamik des EEA1-Proteins im Hinterkopf verbrachte Anupam Singh 2019 drei Monate am MPI-CBG. „Als ich Joan traf, erklärte ich ihm die Idee, die Proteindynamik von EEA1 zu messen. Aber diese Experimente erforderten spezifische Modifikationen des Proteins, die es ermöglichten, seine Flexibilität anhand seiner strukturellen Veränderungen zu messen“, sagt Anupam. Die Expertise von Joan Antoni Soler in der Proteinbiochemie passte perfekt zu dieser herausfordernden Aufgabe.

„Ich war erfreut zu erfahren, dass der Ansatz zur Charakterisierung des EEA1-Proteins beantworten könnte, ob EEA1 und Rab5 einen Zwei-Komponenten-Motor bilden, wie zuvor vermutet. Mir wurde klar, dass die Schwierigkeiten, die richtigen Moleküle zu erhalten, durch Modifikation des EEA1-Proteins gelöst werden könnten erlauben Fluorophoren, sich an bestimmte Proteinregionen anzulagern. Diese Modifikation würde es einfacher machen, die Proteinstruktur und die Veränderungen, die auftreten können, wenn es mit Rab5 interagiert, zu charakterisieren“, erklärt Joan Antoni.

Ausgestattet mit den geeigneten Proteinmolekülen und der wertvollen Unterstützung der Co-Autorin Janelle Lauer, einer leitenden Postdoktorandin in der Forschungsgruppe von Marino Zerial, konnten Joan und Anupam die Dynamik von EEA1 gründlich charakterisieren, indem sie die fortschrittlichen Laser-Scanning-Mikroskope verwendeten, die von den Lichtmikroskopieeinrichtungen bereitgestellt wurden am MPI-CBG und am NCBS.

Auffallenderweise entdeckten sie, dass das EEA1-Protein mehrere Flexibilitäts-Übergangszyklen durchlaufen kann, von starr zu flexibel und wieder zurück, angetrieben ausschließlich durch die chemische Energie, die durch seine Wechselwirkung mit der GTPase Rab5 freigesetzt wird. Diese Experimente zeigten, dass EEA1 und Rab5 einen GTP-getriebenen Zweikomponentenmotor bilden.

Um die Ergebnisse zu interpretieren, entwickelte Marcus Jahnel, einer der korrespondierenden Autoren und Forschungsgruppenleiter bei PoL und BIOTEC, ein neues physikalisches Modell, um die Kopplung zwischen chemischen und mechanischen Schritten im Motorrad zu beschreiben. Gemeinsam mit Stephan Grill und Shashi Thutupalli konnten die Biophysiker auch die thermodynamische Effizienz des neuen Motorsystems berechnen, die mit der von herkömmlichen ATP-getriebenen Motorproteinen vergleichbar ist.

„Unsere Ergebnisse zeigen, dass die Proteine ​​EEA1 und Rab5 als zweikomponentiges molekulares Motorsystem zusammenarbeiten, das chemische Energie in mechanische Arbeit umwandeln kann. Dadurch können sie eine aktive mechanische Rolle beim Membrantransport spielen. Es ist möglich, dass die Kraft- Der molekulare Motormechanismus kann über andere Moleküle hinweg konserviert und von mehreren anderen Zellkompartimenten verwendet werden“, fasst Marino Zerial die Studie zusammen.

Marcus Jahnel fügt hinzu: „Ich freue mich sehr, dass wir die Idee eines EEA1-Rab5-Motors endlich testen konnten. Es ist großartig zu sehen, dass dies durch diese neuen Experimente bestätigt wird. Die meisten molekularen Motoren verwenden einen gemeinsamen Typ von Zellkraftstoff namens ATP. Kleine GTPasen verbrauchen einen anderen Art von Treibstoff, GTP, und wurden hauptsächlich als Signalmoleküle angesehen. Dass sie auch ein molekulares System antreiben können, um Kräfte zu erzeugen und Dinge zu bewegen, rückt diese reichlich vorhandenen Moleküle in ein interessantes neues Licht.“

Auch Stephan Grill ist begeistert: „Das ist eine neue Klasse von molekularen Motoren! Dieser bewegt sich nicht wie der Kinesin-Motor, der Fracht entlang von Mikrotubuli transportiert, sondern verrichtet Arbeit, während er an Ort und Stelle bleibt. Er ist ein bisschen wie die Tentakel eines Oktopus.“

„Das von uns verwendete Modell ist von dem des klassischen Stirling-Motorzyklus inspiriert. Während der traditionelle Stirling-Motor durch Expansion und Komprimierung von Gas mechanische Arbeit erzeugt, verwendet der beschriebene Zweikomponentenmotor Proteine ​​​​als Arbeitssubstrat, wobei Änderungen der Proteinflexibilität zu Kraft führen Dadurch eröffnet diese Art von Mechanismus neue Möglichkeiten für die Entwicklung synthetischer Proteinmotoren“, ergänzt Shashi Thutupalli.

Insgesamt hoffen die Autoren, dass diese neue interdisziplinäre Studie neue Forschungswege sowohl in der molekularen Zellbiologie als auch in der Biophysik eröffnen könnte.