探究分子马达是如何把化学能转化为机械功的?

  分子马达是由许多不同的部分组成的复杂装置,它们消耗能量来进行各种细胞活动。简而言之,分子机器将能量转化为有用的功。了解机械方面的基础这些马达开始产生整体架构和原子组织的详细描述。然而,要揭开驱动这些马达的核心机制,就必须在原子细节上解码所有的分子动力学。

  现在,来自德西大学结构系统生物学CSSB中心和汉堡大学医学中心(UKE)的Thomas C. Marlovits的研究团队揭示了这种分子马达的结构、完整的功能循环和机制:

  他们在《Nature》杂志上报告了“RuvAB分支迁移复合体”如何将化学能转化为机械功来进行DNA重组和修复。DNA重组是生物体内最基本的生物过程之一。它是染色体“交换”DNA的过程,通过产生新的后代来产生遗传多样性,或通过修复现有染色体上的断裂来保持遗传完整性。在DNA重组过程中,四条DNA臂从它们的双螺旋结构中分离出来,并在一个被称为Holliday连接的交叉处连接在一起。在这里,DNA臂交换链的过程被称为主动分支迁移。

  这种分支迁移发生所需的基本能量来自于一种分子机制,科学家将其标记为RuvAB分支迁移复合物。这个复杂的组装在Holliday结周围,由两个标有RuvB AAA+ ATPases的马达和一个RuvA定子组成,它们为反应提供燃料。该研究小组现在提供了一份复杂的蓝图,解释了RuvB AAA+马达如何在RuvA蛋白的调控下工作,以执行同步的DNA运动。

  由RuvB AAA+马达分子激发的主动分支迁移是非常快速和高度动态的。为了确定这一过程的各个步骤,科学家们使用时间分辨低温电子显微镜观察马达的慢速运动。Marlovits解释说:“我们基本上为RuvB AAA+马达提供了较慢燃烧的燃料,这使我们能够在发生生化反应时捕获它们。”

  这位科学家捕捉到了超过1000万张马达与Holliday结相互作用的图像。论文的第一作者Jiri Wald梳理了大量的数据,并仔细分类了每张图像中发生的细微变化。利用DESY的高性能计算设备,科学家们能够把所有的拼图碎片放在一起,生成一个高分辨率的电影,详细描述了RuvAB的复杂功能在分子尺度上的作用。

  Wald解释说:“我们能够将马达的七种不同状态可视化,并演示了相互关联的元素如何以循环的方式一起工作。我们还证明,RuvB马达将能量转化为杠杆运动,产生驱动分支迁移的力。我们惊奇地发现,这些马达使用一个基本的杠杆机构来移动DNA基质。总之,RuvAB马达的顺序机制、协调和力产生方式与内燃机在概念上有相似之处。”

  AAA+马达经常用于其他生物系统,如蛋白质运输,因此该RuvB AAA+马达的详细模型可以作为类似分子马达的蓝图。Marlovits解释说:“我们了解了马达的工作原理,现在我们可以把这个马达放入另一个系统中,只需稍加调整。我们实际上是在展示AAA+马达的核心原则。”

  Marlovits团队未来的工作将探索干扰AAA+马达功能的方法。这可能为新一代药物的开发提供基础,新一代药物将破坏病原体中这种马达的机制,从而阻止感染的传播。瓦尔德说:“我们很兴奋地探索存在的可能性,现在我们有了RuvB AAA+马达的蓝图。”

  参考文献:Mechanism of AAA+ ATPase-mediated RuvAB-Holliday junction branch migration