Un grupo de investigadores ha descubierto el funcionamiento interno detallado del motor molecular que empaqueta el material genético en virus de ADN de doble hebra. El avance proporciona información sobre un paso crítico en el ciclo de reproducción de virus como la viruela-herpes- y adeno-virus. También podría inspirar a los investigadores a crear máquinas microscópicas basadas en biomotores naturales.
La investigación fue realizada por científicos de la Universidad de Duke, la Universidad de Minnesota, la Universidad de Massachusetts y la Rama Médica de la Universidad de Texas UTMB. Los resultados aparecen en línea en una trilogía de artículos publicados en avances científicos , Actas de la Academia Nacional de Ciencias y Investigación de ácidos nucleicos .
"Faltaban varias piezas de información que nos impidieron comprender cómo funcionan estos tipos de motores de empaque de ADN, lo que obstaculizó nuestra capacidad para diseñar terapias o desarrollar nuevas tecnologías", dijo Gaurav Arya, profesor de ingeniería mecánica y ciencia de materiales, biomédicaingeniería y química en Duke. "Pero con nuevos conocimientos y simulaciones, pudimos armar un modelo de este fantástico mecanismo, que es el más detallado jamás creado para este tipo de sistema".
Los virus vienen en muchas variedades, pero su clasificación generalmente depende de si codifican sus planos genéticos en ARN o ADN monocatenario o bicatenario. La diferencia es importante de muchas maneras y afecta la forma en que el material genético se empaqueta en nuevos virus.algunos virus construyen un contenedor de proteína llamado cápside alrededor del ARN o ADN recién producido, otros crean la cápside primero y luego la llenan con el material genético.
La mayoría de los virus de ADN de doble hebra toman la última ruta, lo que presenta muchos desafíos. El ADN está cargado negativamente y no quiere estar amontonado en un espacio pequeño. Y está empaquetado en una estructura extremadamente densa, casi cristalina, que también requieremucha fuerza.
"El beneficio de esto es que, cuando el virus está listo para infectar una nueva célula, la presión ayuda a inyectar ADN en la célula una vez que se perfora", dijo Joshua Pajak, un estudiante de doctorado que trabaja en el laboratorio de Arya. "Se ha estimadoque la presión supera los 800 PSI, que es casi diez veces la presión de una botella de champán tapada con corcho ".
Forzar el ADN en una cápside diminuta a esa cantidad de presión requiere un motor extremadamente potente. Hasta hace poco, los investigadores solo tenían una vaga idea de cómo funcionaba ese motor debido a lo difícil que es visualizarlo. El motor solo se ensambla en la partícula del virus, que es enorme en comparación con el motor.
"Tratar de ver el motor conectado al virus es como tratar de ver los detalles en la antorcha de la Estatua de la Libertad tomando una foto de toda la estatua", dijo Pajak.
Pero en una conferencia reciente, Pajak se enteró de que Marc Morais, profesor de bioquímica y biología molecular en UTMB, y Paul Jardine, profesor de diagnóstico y ciencias biológicas en la Universidad de Minnesota, habían estado trabajando en este motor durante años y tenían elel equipo y las habilidades necesarias para ver los detalles. Algunos de sus resultados iniciales parecían coincidir con los modelos que Pajak estaba construyendo con la poca información que ya estaba disponible. El grupo se emocionó de que sus hallazgos separados convergían hacia un mecanismo común y rápidamente se dispuso a resolver el problemamisterio del motor viral juntos.
en un artículo publicado en avances científicos , Morais y sus colegas resolvieron los detalles de todo el motor en una de sus configuraciones. Encontraron que el motor está compuesto por cinco proteínas unidas entre sí en una formación anular. Cada una de estas proteínas son como dos proteínas de succióntazas con un resorte en el medio, lo que permite que la parte inferior se mueva verticalmente en una formación helicoidal para que pueda agarrarse a la columna vertebral helicoidal del ADN.
"Debido a que se pueden colocar alrededor de 100,000 de estos motores en la cabeza de un pasador y todos se mueven, verlos bien resultó difícil", dijo Morais. "Pero después de que mis colegas de UTMB Michael Woodson y Mark Whitenos ayuda a visualizarlos con un microscopio crioelectrónico, un marco general del mecanismo encajó en su lugar ".
En un segundo artículo, publicado en Investigación de ácidos nucleicos , el grupo de Morais capturó el motor en una segunda configuración utilizando cristalografía de rayos X. Esta vez, las ventosas inferiores del motor estaban todas juntas en un anillo plano, lo que llevó a los investigadores a imaginar que el motor podría mover el ADN ael virus al alternar entre las dos configuraciones.
Para probar esta hipótesis, Pajak y Arya realizaron simulaciones de trabajo pesado en Anton 2, la supercomputadora más rápida disponible actualmente para ejecutar simulaciones de dinámica molecular. Sus resultados no solo respaldaron el mecanismo propuesto, sino que también proporcionaron información sobre cómo se contorsionan exactamente los engranajes del motor.entre las dos configuraciones.
Mientras que las partes superiores de las proteínas permanecen unidas estáticamente a la partícula del virus, sus mitades inferiores se mueven hacia arriba y hacia abajo en un patrón cíclico impulsado por una molécula portadora de energía llamada ATP. Una vez que todas las proteínas se han movido hacia arriba, arrastrando el ADN a lo largocon ellos, las proteínas liberan el subproducto de la reacción química del ATP. Esto hace que el anillo inferior libere el ADN y regrese a su estado helicoidal original, donde una vez más agarran más ATP y ADN para repetir el proceso.
"Joshua reunió muchas pistas e información para crear este modelo", dijo Arya. "Pero un modelo solo es útil si puede predecir nuevos conocimientos que aún no conocíamos".
En esencia, el modelo es una serie de acciones mecánicas que deben encajar y tener lugar en orden secuencial para que todo funcione correctamente. Las simulaciones de Pajak predijeron una serie específica de señales mecánicas que le dicen a las partes inferiores de las proteínas sidebe estar agarrando el ADN. Como una línea de dominó cayendo, eliminar una de las vías de señalización del medio debe detener la reacción en cadena y bloquear la señal.
Para validar esta predicción, los investigadores recurrieron a Jardine y sus colegas Shelley Grimes y Dwight Anderson para ver si la eliminación de una de las fichas de dominó de señalización en realidad impedía que el motor empaquetara el ADN. Un tercer artículo, publicado en PNAS , muestra que el sabotaje funcionó. Después de mutar un dominó en la vía de señalización para que no pudiera funcionar, el motor aún podía unir y quemar combustible tan bien como siempre, pero fue mucho peor empaquetando el ADN.
"El nuevo mecanismo predicho por las estructuras de alta resolución y las predicciones detalladas proporcionaron un nivel de detalle mayor que nunca antes", dijo Jardine. Esto nos permitió probar el papel de los componentes críticos del motor y, por lo tanto,evaluar la validez de este nuevo mecanismo tal como lo entendemos actualmente ".
El resultado es una fuerte indicación de que el modelo está muy cerca de describir cómo se comporta el motor en la naturaleza. El grupo planea continuar con su enfoque estructural, bioquímico y de simulación altamente integrado para probar y perfeccionar el modelo propuesto. Esperan queesta comprensión fundamental podría potencialmente usarse para algún día combatir enfermedades o crear un motor molecular sintético.
"Toda la tecnología está inspirada en la naturaleza de una forma u otra", dijo Arya. "Ahora que sabemos realmente cómo funciona este motor molecular, es de esperar que inspire a otros investigadores a crear nuevos inventos utilizando estos mismos mecanismos".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Duke . Original escrito por Ken Kingery. Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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