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(jī)械任務(wù)的新機(jī)制。
細(xì)胞擁有一種非凡的能力，可以利用微小的蛋白質(zhì)機(jī)器——分子馬達(dá)來組織內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從而產(chǎn)生定向運(yùn)動。大多數(shù)分子馬達(dá)依靠一種常見形式的化學(xué)能ATP來運(yùn)轉(zhuǎn)。最近，來自馬克斯普朗克分子細(xì)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(jī)械任務(wù)的新機(jī)制。
這種分子馬達(dá)的工作原理與傳統(tǒng)的斯特林發(fā)動機(jī)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(xì)胞器。它是第一個(gè)使用兩種成分的馬達(dá)，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(yùn)動蛋白是細(xì)胞內(nèi)非凡的分子機(jī)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(jī)械能。最(空)突出的例子是肌凝蛋白，它幫助我們的肌肉運(yùn)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(gè)例子是由EEA1和Rab5兩種蛋白質(zhì)組成的分子馬達(dá)。
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(xì)胞生物學(xué)家和生物物理學(xué)家團(tuán)隊(duì)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(xì)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(jī)械運(yùn)動，只需與Rab5單獨(dú)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(shí)驗(yàn)進(jìn)行測量。
這就是當(dāng)前研究的出發(fā)點(diǎn)，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(jī)器研究中心的生物物理學(xué)家，他們開始實(shí)驗(yàn)觀察這個(gè)馬達(dá)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(gè)月?！爱?dāng)我遇到瓊時(shí)，我向他解釋了測量EEA1蛋白質(zhì)動力學(xué)的想法。但這些實(shí)驗(yàn)需要對蛋白質(zhì)進(jìn)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(dá)，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(tuán)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(shí)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(jìn)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(gè)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(shí)驗(yàn)表明EEA1和Rab5組成了GTP驅(qū)動的雙組份電機(jī)。
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(gè)新的物理模型來描述摩托車中化學(xué)和機(jī)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(jì)算出新的運(yùn)動系統(tǒng)的熱力學(xué)效率，這與傳統(tǒng)的atp驅(qū)動的運(yùn)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(gè)雙組分分子運(yùn)動系統(tǒng)一起工作，可以將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。因此，它們可以在膜運(yùn)輸中發(fā)揮積極的機(jī)械作用。產(chǎn)生力的分子運(yùn)動機(jī)制可能在其他分子中保守，并被其他幾個(gè)細(xì)胞室使用，"Marino Zerial總結(jié)了這項(xiàng)研究。
Marcus Jahnel補(bǔ)充道:“我很高興我們終于可以測試EEA1-Rab5電機(jī)的想法。很高興看到這些新實(shí)驗(yàn)證實(shí)了這一點(diǎn)。大多數(shù)分子馬達(dá)使用一種叫做ATP的普通細(xì)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(gè)有趣的新視角。"
Stephan Grill也同樣興奮:“這是一種新型分子馬達(dá)！它不像驅(qū)動馬達(dá)那樣沿著微管運(yùn)輸貨物，而是在原地工作。它有點(diǎn)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(jī)循環(huán)。傳統(tǒng)的斯特林發(fā)動機(jī)是通過膨脹和壓縮氣體來產(chǎn)生機(jī)械功的，而本文所描述的雙組分電機(jī)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(jī)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(bǔ)充道。
總之，作者希望這一新的跨學(xué)科研究能為分子細(xì)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
