Los investigadores obtienen información sobre cómo las células evitan los errores de la línea de montaje

Una imagen, basada en datos de crio-EM, muestra la diferencia entre la conformación simétrica de torniquete cerrado del módulo de la línea de montaje (izquierda) y la asimétrica de brazo doblado conformación (derecha). El par de enzimas idénticas que componen el módulo se muestran en cian y magenta. Cuando los dos brazos están cerrados (izquierda), las moléculas entrantes no pueden entrar (representado por flechas amarillas). Cuando un brazo está doblado (derecha), permite que una sola molécula ingrese al módulo. Crédito: Dillon Cogan

Cada célula es un maestro constructor, capaz de crear moléculas útiles y estructuralmente complejas, una y otra vez y con sorprendentemente pocos errores. Los científicos están ansiosos por replicar esta hazaña para construir sus propias fábricas moleculares, pero primero deberán comprenderla.

«Tenemos miles de estas líneas de ensamblaje en la naturaleza, y todas producen compuestos únicos», dijo Dillon Cogan, becario postdoctoral en el laboratorio de Chaitan Khosla, profesor de química e ingeniería química en Stanford. «El sueño es algún día poder recombinar piezas de diferentes líneas de montaje para que podamos hacer compuestos útiles que no se encuentran en la naturaleza. Para hacer eso, necesitamos conocer los principios de diseño que hacen que estas cosas funcionen».

En un estudio publicado el 5 de noviembre en Science, investigadores de la Universidad de Stanford utilizan una de las técnicas de biología estructural más sofisticadas disponibles para investigar cómo estas líneas de ensamblaje molecular mantienen su control preciso mientras guían las moléculas en crecimiento a través de una construcción compleja de varios pasos. proceso.

Las moléculas en cuestión se denominan policétidos, una categoría que incluye fármacos y antibióticos. Las células sintetizan policétidos a través de líneas de ensamblaje molecular llamadas sintasas.

Cada sintasa contiene entre tres y 30 «módulos», grupos de proteínas activas o enzimas, organizados secuencialmente. Cada módulo es una estación en la línea de ensamblaje que es responsable de agregar una pieza a una cadena molecular en crecimiento y luego instalar modificaciones químicas en esa unidad. Al pasar de un módulo a otro, un policétido crece en tamaño y complejidad hasta que finalmente sale rodando de la cinta transportadora en su forma final.

Khosla, Cogan y sus colegas se centraron en un módulo de la línea de ensamblaje que produce el antibiótico eritromicina. Querían entender cómo esta línea de ensamblaje, como otras, siempre logra empujar la molécula en crecimiento en la dirección correcta, una hazaña que las leyes de la termodinámica no pueden explicar por completo.

Para hacerlo, giraron al profesor de SLAC y Stanford Wah Chiu, experto en una técnica sofisticada llamada microscopía electrónica criogénica (crio-EM), que captura múltiples instantáneas de proteínas en movimiento en configuraciones ligeramente diferentes. La aplicación de cryo-EM al módulo de la línea de ensamblaje permitiría a los investigadores observarlo en varias formas, cada una correspondiente a una etapa diferente en el proceso de la línea de ensamblaje, algo que otras técnicas no habían revelado.

» Nos mostraron cómo se ve la línea de ensamblaje cuando no está procesando moléculas. Es como un domingo en la planta de BMW. Queríamos ver la planta un lunes «, dijo Khosla, quien es Wells H. Rauser y Harold M. Petiprin. Profesor de Ingeniería Química y Química en Stanford.

Chiu, profesor de Wallenberg-Bienenstock en Stanford y profesor de ciencia de fotones en SLAC, se sintió intrigado al instante. «Estas son máquinas moleculares increíblemente complejas. Hay tantos componentes que tienen que unirse en el lugar correcto y en el momento correcto, de una manera altamente orquestada, para que funcionen», dijo Chiu.

Chiu le pidió a Kaiming Zhang, un antiguo becario postdoctoral en su laboratorio, que se asociara con Cogan para estudiar el módulo de la línea de montaje en la instalación de microscopía crioelectrónica de Stanford-SLAC.

Después de muchos años de trabajo, la pareja vislumbró algo inesperado. Cada módulo está compuesto por un par de enzimas, cada una de las cuales tiene un brazo molecular que se extiende desde los lados del módulo. Se pensó ampliamente que estos brazos se reflejan entre sí en sus poses. Pero en el módulo que Zhang y Cogan examinaron, un brazo se extendía mientras que el segundo brazo se flexionaba hacia abajo.

La pareja se dio cuenta de que la estructura que estaban observando era en realidad el módulo en acción y que el brazo doblado podría ser el clave para la direccionalidad de la línea de montaje.

El hallazgo también ayudó a resolver otro misterio con el que estaba lidiando el laboratorio de Khosla. Su grupo había descubierto previamente que cada módulo solo puede funcionar en dos moléculas a la vez. Llamaron a esto un mecanismo de «torniquete», con cada módulo cerrándose a las cadenas entrantes hasta que libera una en la que está trabajando. Pero lo que no sabían era cómo se cerraba. Ahora, creen que este brazo flexionado actúa como el brazo del torniquete.

El brazo del torniquete parece tener dos funciones. En primer lugar, actúa como un guardián y bloquea físicamente la entrada de moléculas entrantes mientras se procesa una. En segundo lugar, la contorsión de la enzima en esa pose asimétrica requiere energía, que se almacena en la flexión del brazo. El equipo planteó la hipótesis de que la relajación del brazo a su estado «normal», que libera la energía reprimida, podría ayudar a impulsar la molécula en construcción a la siguiente etapa de la línea de ensamblaje.

«Eso estas enzimas están capturando energía en estas asombrosas contorsiones, y usan esa energía para impulsar algo más; en este caso, la dirección es muy emocionante», dijo Khosla.

La hipótesis del equipo de que la asimetría ayuda a conferir selectividad direccional al ensamblaje líneas está respaldado por un segundo artículo, publicado en la misma edición de Science. Los científicos de la Universidad de Texas en El Paso, la Universidad de Cornell y SLAC utilizaron crio-EM y una técnica llamada cristalografía de rayos X para estudiar un módulo de una policétido sintasa diferente y observaron una conformación asimétrica similar de brazo flexionado.

«Que nuestros dos grupos hayan podido abordar este sistema biológico complejo es un testimonio de la gran inversión que Stanford y SLAC han realizado en infraestructura de biología estructural», dijo Khosla.

Explore más

Los investigadores investigan los secretos de las líneas de ensamblaje de antibióticos naturales Más información: Dillon P. Cogan et al, Mapping the catalytic conformations of an assembly-line polyketide synthase module, Science (2021) ). DOI: 10.1126/science.abi8358

Saket R. Bagde et al, Modular polyketide synthase contiene dos cámaras de reacción que funcionan de forma asincrónica, Science (2021). DOI: 10.1126/science.abi8532 Información de la revista: Science