Как молекулярные транспорты меняют передачу: среда определяет движение моторных белков

Моторный белок миозин-V, который перемещает молекулярные грузы внутри клеток, «шагая» по актиновым филаментам, переключается между двумя различными молекулярными механизмами движения в зависимости от окружающей среды. Это открытие исследовательской группы под руководством Тосио Янагиды из Центра количественной биологии RIKEN в Осаке и Университета Осаки может лечь в основу проектирования энергоэффективных искусственных наномоторов.

Ранее было показано, что миозин-V обычно использует два механизма — «взмах рычага» и «броуновский поиск и захват» — попеременно, чтобы продвигаться по филаменту «переступая». Миозин-V имеет две «руки», головки которых связываются с актином. Когда миозин-V связывается с молекулой-хранителем энергии аденозинтрифосфатом (ATP), задняя головка отсоединяется от актинового филамента. Когда ATP высвобождает энергию, теряя фосфат, передняя головка совершает движение «взмаха рычага», тянущего филамент вперед, подобно веслу в воде, и увлекает за собой заднюю «руку». Затем задняя головка, колеблемая случайными столкновениями с молекулами в броуновском движении, перемещается вперед. Приближаясь к филаменту впереди, она захватывает его.

Янагида и его коллеги, включая Кейсуке Фудзиту и Мицухиро Иваки, смогли прикрепить флуоресцентную полистироловую сферу к задней «руке» миозина-V с помощью нити ДНК. Это позволило точно измерить движения молекулы-мотора, отслеживая перемещение сферы. Они также могли измерить силу, которую прилагает каждая головка, удерживая сферу неподвижно с помощью лазерного механизма, известного как оптические пинцеты, при различных нагрузках и условиях среды.

Результаты показали, что при низких нагрузках и движении по филаментам без препятствий основную работу движения миозина-V выполняет механизм «взмаха рычага». Однако при высоких нагрузках и в менее предсказуемой среде сила, которую может создать «взмах рычага», достигает максимума, и автоматически активируется механизм броуновского поиска и захвата. Клетки содержат сеть перекрещивающихся актиновых филаментов, и всегда существует вероятность столкновения с движущимися молекулами и везикулами, что может мешать транспорту молекулярных грузов миозином-V. В этих условиях «высокий шаг» броуновского поиска и захвата становится основным.

«Мы надеемся, что исследования других биологических актуаторов или моделирования покажут, что наша теория движения миозина-V универсальна и, следовательно, добавит гораздо более конкретную парадигму для проектирования искусственных наномашин», — говорит Янагида.