Учёные открыли альтернативу АТФ для нитевидных моторов в клетках

Большинство молекулярных моторов в клетках используют в качестве топлива АТФ. Исследователи из Института молекулярной клеточной биологии и генетики Общества Макса Планка (MPI-CBG), кластера «Физика жизни» (PoL), Биотехнологического центра (BIOTEC) TU Dresden (Германия) и Национального центра биологических наук (NCBS, Бангалор, Индия) обнаружили новую молекулярную систему, которая использует альтернативный источник химической энергии — ГТФ.

Новый двухкомпонентный мотор

Это первый мотор, состоящий из двух белков разного размера — Rab5 и EEA1, и работающий на GTP, а не на ATP. Ранее небольшие белки GTPазы, к которым относится Rab5, не рассматривались как генераторы молекулярных сил.

В 2016 году междисциплинарная команда обнаружила, что белок Rab5 может вызывать сокращение нитевидного белка-привязи EEA1. Связывание небольшого Rab5 с EEA1 увеличивает гибкость последнего, что создаёт силу, подтягивающую везикулу к целевой мембране. Учёные предположили, что EEA1 может циклически переключаться между гибким и жёстким состояниями, взаимодействуя только с Rab5, подобно механическому мотору.

Экспериментальное подтверждение

Два первых автора работы, Джоан Антони Солер (MPI-CBG) и Анупам Сингх (NCBS), экспериментально исследовали динамику белка EEA1. Они модифицировали EEA1 для присоединения флуорофоров, что позволило с помощью лазерной сканирующей микроскопии охарактеризовать изменения его структуры при взаимодействии с Rab5.

Результат: белок EEA1 может проходить множество циклов перехода от жёсткого к гибкому состоянию и обратно, используя исключительно химическую энергию от взаимодействия с GTPазой Rab5. Это подтвердило, что EEA1 и Rab5 образуют GTP-движимый двухкомпонентный мотор.

Механизм и эффективность

Маркус Янель (PoL, BIOTEC), один из корреспондирующих авторов, разработал новую физическую модель для описания связи химических и механических этапов в цикле мотора. Совместно со Штефаном Гриллом (MPI-CBG) и Шаши Тутупалли (NCBS) учёные рассчитали термодинамическую эффективность новой системы. Она оказалась сопоставима с эффективностью традиционных ATP-движимых моторных белков.

Значение открытия

  • Новый класс моторов: Этот мотор не перемещается, как кинезин, а совершает работу, оставаясь на месте, подобно щупальцам осьминога.
  • Альтернативное топливо: Показано, что GTP, в основном считавшийся сигнальной молекулой, также может напрямую приводить в движение молекулярные системы.
  • Аналогия с двигателем Стирлинга: Механизм напоминает цикл классического двигателя Стирлинга, где в качестве рабочего субстрата выступают белки, а изменение их гибкости приводит к генерации силы.
  • Широкие перспективы: Открытый механизм может быть консервативным и использоваться другими клеточными компартментами, а также открывает новые возможности для создания синтетических белковых машин.

Исследование опубликовано в журнале Nature Physics.