摘要：研究人員發(fā)現(xiàn)了一種利用替代能源的新型分子系統(tǒng),，并具有執(zhí)行機械任務(wù)的新機制,。
細胞擁有一種非凡的能力，可以利用微小的蛋白質(zhì)機器——分子馬達來組織內(nèi)部結(jié)構(gòu),，從而產(chǎn)生定向運動,。大多數(shù)分子馬達依靠一種常見形式的化學(xué)能ATP來運轉(zhuǎn)。最近,，來自馬克斯普朗克分子細胞生物學(xué)和遺傳學(xué)研究所(MPI-CBG),、生命卓(空)越物理集群(PoL)、德累斯頓工業(yè)大學(xué)生物技術(shù)中心(BIOTEC)和印度國家生物科學(xué)中心(NCBS)的一組研究人員發(fā)現(xiàn)了一種利用替代能源的新型分子系統(tǒng),，并具有執(zhí)行機械任務(wù)的新機制,。
這種分子馬達的工作原理與傳統(tǒng)的斯特林發(fā)動機相似，通過反復(fù)收縮和膨脹,，幫助將貨物分配到膜結(jié)合的細胞器,。它是第一個使用兩種成分的馬達，兩種不同大小的蛋白質(zhì),，Rab5和EEA1,，由GTP而不是ATP驅(qū)動,。該研究結(jié)果最近發(fā)表在《Nature Physics》雜志上,。
圖1 研究人員發(fā)現(xiàn)了一種利用替代能源的新型分子系統(tǒng)
運動蛋白是細胞內(nèi)非凡的分子機器，它將儲存在一種叫做ATP的分子中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機械能,。最(空)突出的例子是肌凝蛋白,，它幫助我們的肌肉運動。相比之下,，GTP酶是一種小蛋白質(zhì),，并沒有被視為分子力的產(chǎn)生者。一個例子是由EEA1和Rab5兩種蛋白質(zhì)組成的分子馬達,。
2016年,，MPI-CBG主任Marino Zerial和Stephan Grill及其同事(包括PoL和BIOTEC研究小組負(fù)責(zé)人Marcus Jahnel)組成的跨學(xué)科細胞生物學(xué)家和生物物理學(xué)家團隊發(fā)現(xiàn)，小GTPase蛋白Rab5可以觸發(fā)EEA1的收縮,。這些繩狀蛋白可以識別存在于囊泡膜上的Rab5蛋白并與之結(jié)合,。
更小的Rab5的結(jié)合沿著EEA1的細長結(jié)構(gòu)發(fā)送信息，從而增加其靈活性,，類似于烹飪軟化意大利面,。這種柔韌性變化產(chǎn)生一種力，將囊泡拉向目標(biāo)膜,，在那里發(fā)生對接和融合,。然而,，研究小組還假設(shè)EEA1可以在柔性和剛性狀態(tài)之間切換，類似于機械運動,，只需與Rab5單獨相互作用,。
圖2 EEA1經(jīng)歷了依賴Rab5的靈活性轉(zhuǎn)變,，可以使用FCS實驗進行測量。
這就是當(dāng)前研究的出發(fā)點,，通過該研究的兩位第一作者的博士工作形成,。來自MPI-CBG Marino Zerial研究小組的Joan Antoni Soler和來自Shashi Thutupalli研究小組的Anupam Singh，是班加羅爾NCBS西蒙斯生物機器研究中心的生物物理學(xué)家,，他們開始實驗觀察這個馬達的作用,。
為了研究EEA1蛋白的動力學(xué)，Anupam Singh于2019年在MPI-CBG呆了三個月,?！爱?dāng)我遇到瓊時，我向他解釋了測量EEA1蛋白質(zhì)動力學(xué)的想法,。但這些實驗需要對蛋白質(zhì)進行特定的修飾,，以便根據(jù)其結(jié)構(gòu)變化來測量其靈活性，"Anupam說,。
Joan Antoni總結(jié)：“表征EEA1蛋白的方法可以回答EEA1和Rab5是否形成雙組分馬達,，正如之前所懷疑的那樣。我意識到獲得正確分子的困難可以通過修飾EEA1蛋白來解決,，使熒光團附著在特定的蛋白質(zhì)區(qū)域上,。這種修飾可以更容易地表征蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)以及當(dāng)它與Rab5相互作用時可能發(fā)生的變化。"
有了合適的蛋白質(zhì)分子和合作者Janelle Lauer (Marino Zerial研究小組的高級博士后研究員)的寶貴支持,，Joan和Anupam能夠利用MPI-CBG和NCBS的光學(xué)顯微鏡設(shè)備提供的先進激光掃描顯微鏡徹(空)底表征EEA1的動力學(xué),。引人注目的是，他們發(fā)現(xiàn)EEA1蛋白可以經(jīng)歷多個靈活性轉(zhuǎn)變周期,，從剛性到柔性,，再回到剛性，這僅僅是由它與GTPase Rab5相互作用釋放的化學(xué)能驅(qū)動的,。這些實驗表明EEA1和Rab5組成了GTP驅(qū)動的雙組份電機,。
為了解釋這些結(jié)果，PoL和BIOTEC的通訊作者之一,、研究小組組長Marcus Jahnel開發(fā)了一個新的物理模型來描述摩托車中化學(xué)和機械步驟之間的耦合,。與Stephan Grill和Shashi Thutupalli一起，生物物理學(xué)家還能夠計算出新的運動系統(tǒng)的熱力學(xué)效率,，這與傳統(tǒng)的atp驅(qū)動的運動蛋白相當(dāng),。
“我們的研究結(jié)果表明,，蛋白質(zhì)EEA1和Rab5作為一個雙組分分子運動系統(tǒng)一起工作，可以將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機械能,。因此,，它們可以在膜運輸中發(fā)揮積極的機械作用。產(chǎn)生力的分子運動機制可能在其他分子中保守,，并被其他幾個細胞室使用,，"Marino Zerial總結(jié)了這項研究。
Marcus Jahnel補充道:“我很高興我們終于可以測試EEA1-Rab5電機的想法,。很高興看到這些新實驗證實了這一點,。大多數(shù)分子馬達使用一種叫做ATP的普通細胞燃料。小的GTP酶消耗另一種燃料,，GTP,，并且主要被認(rèn)為是信號分子。它們還可以驅(qū)動分子系統(tǒng)產(chǎn)生力并移動物體,，這讓這些豐富的分子有了一個有趣的新視角,。"
Stephan Grill也同樣興奮:“這是一種新型分子馬達！它不像驅(qū)動馬達那樣沿著微管運輸貨物,，而是在原地工作,。它有點像章魚的觸手。"
“我們使用的模型的靈感來自經(jīng)典的斯特林發(fā)動機循環(huán),。傳統(tǒng)的斯特林發(fā)動機是通過膨脹和壓縮氣體來產(chǎn)生機械功的,，而本文所描述的雙組分電機則是利用蛋白質(zhì)作為工作基質(zhì)，通過改變蛋白質(zhì)的柔韌性來產(chǎn)生力,。因此,，這種類型的機制為合成蛋白質(zhì)引擎的開發(fā)開辟了新的可能性,，"Shashi Thutupalli補充道,。
總之，作者希望這一新的跨學(xué)科研究能為分子細胞生物學(xué)和生物物理學(xué)開辟新的研究途徑,。
參考資料：
[1] Two-component molecular motor driven by a GTPase cycle
