Nanomaskiner holder deg i funksjon

Evolution news; 22. november 2017
Oversatt herfra.

Bilde 1. Kinesin på jobb.

En celle har tusenvis av maskiner i levende fabrikker. Det er når du hører om detaljene at deres design vekker ærefrykt og inspirasjon.

Tango Trucker
Tyske forskere fant ut noe interessant om hvordan celler eksporterer last gjennom membranene sine. De fleste last-molekyler er små nok til å passe inn i standard vesikler, men noen store laster trenger større containere. Ifølge deres artikkel i Proceedings of the National Academy of Sciences –her, “dirigerer” en mekanisme som kalles Tango1 (et akronym for transport og Golgi-organisasjon) håndteringen av heftig bagasje:

Bilde 2. Thylakoid-membran

– Å eksportere voluminøse molekyler utgjør utfordringer for celler, siden membranblærene som transporterer normalstørrelsesmolekyler, kanskje ikke er tilstrekkelig store. Proteinet Tango1 tillater transport vesikler å vokse mye større for å imøtekomme stor last. Det har vært lurt på hvorfor flere mindre last heller ikke blir transportert når Tango1 er fraværende. Vi viser at dette skyldes at store laster “tetter” transportsystemet, noe som resulterer i en generell trafikkork. Så snart den blokkerende store lasten er fjernet, blir ‘korken’ på grunn av manglende Tango1 løst, og andre cellulære stresssignaler avtar også. Imidlertid forblir strukturelle mangler i transportsystemet, som viser at disse skyldes et direkte krav til Tango1, uavhengig av dens funksjon i transport som sådan.

Tango1 er en stor protein maskin, bestående av 1907 aminosyrer (Cell Press). Den håndterer lasting av store laster i COPII-belagte vesikler (se vår forrige melding om vesikkelbelegg –her). PNAS-artikkelen med åpen tilgang beskriver hva dette multi-tasking-proteinet gjør for å øke standard pickup-lastebiler til store rigger:
Tango1 er et ER [Endoplasmatisk Retikulum] transmembran-protein som dirigerer lossingen av sin last inn i blærer (vesikler) ved å samhandle med dem i ER-hulrommet. Samspillet mellom Tango1 og dets last fremmer deretter rekruttering av Sec23- og Sec24-koatomerer på den cytoplasmatiske siden, mens det bremser bindingen av de ytre lagsbelegg-proteinene Sec13 og Sec31 til den spirende vesiklen. Dette forsinker COPII-operatørens celleavsnøring. Tango1 rekrutterer også ytterligere membranmateriale til ERES fra Golgi’s mellomparti sammenslutning, slik at vesikler blir større. Det samhandler også direkte med Sec16 , som foreslås å øke last-utsondringen . En kortere isoform av pattedyr Tango1 mangler last-gjenkjennings-domenet, men gjør muliggjør likevel å danne mega-last vesikler.

En ekte pumpe bak hver menneskelig aktivitet

Bilde 3. Skisse av ATP-motor

Kalsiumpumper er molekylære motorer som gjør muskler og nerver mulige. Ved å pumpe kalsiumioner inn og ut av cellemembraner, skaper de energistrømmer som får ting til å bevege seg. Danske forskere ved Aarhus Universitet kom nærmere disse små nanomaskiner for å se hvordan enkelte molekyler i pumpen egentlig virker. La oss først gjenkjenne deres betydning:
-Det har nå blitt mulig for første gang å se inn i kroppens helt fundamentale “maskin-rom”, og observere ion-pumper som aktiverer celletransport og signalsystemer. Denne funksjonen sikrer at du og meg, og alle andre biologiske skapninger på Jorden, fungerer som de skal med de rette biomolekylære mekanismer.

Kalsiumpumpen gjør kanskje ikke så mye av seg. Hver pumpe måler bare noen få nanometer, milliontedels millimeter, i hver retning, og sitter i cellemembranen i kroppene våre. Men til tross for sin minimale størrelse er de avgjørende for livet. Denne pumpen er grunnen til at musklene våre kan trekke sammen, og at nevroner kan sende signaler. Hvis den lille pumpen sluttet å fungere, ville cellene slutte å kommunisere. Uten den kunne vi verken flytte oss eller tenke. Det er derfor cellene bruker så mye av sin energi – omtrent en fjerdedel av kroppens drivstoff kjent som ATP – for å holde pumpene i gang .

Teamet fikk et glimt av denne viktige pumpen på enkeltmolekylivå. Deres arbeid, publisert i Nature –her, avslører hvordan pumpen fungerer som en enveis-kjørt gate ved å sørge for at ioner transporteres i riktig retning. “Viktigheten av slik grunnleggende kunnskap om biofysiske prosesser kan bare undervurderes,” kommenterer de. Det de fant, strider mot tidligere formodninger som så pumpen som en passiv enveiskanal.

“Vi har identifisert en ny lukket tilstand i pumpesyklusen, som pumpen kun kan gå inn i hvis kalsium-ionet kommer fra de intracellulære væskene, og pumpen har spaltet ATP. Det kan ikke nå denne tilstanden hvis ionet kommer fra cellens omgivelser. Når kalsium frigjøres fra denne tilstanden, er det “‘point of no return’. Dette er mekanismen som forklarer at pumpen fungerer som en pumpe og ikke bare en passiv kanal.
Denne “aktive transport” pumpemaskinen, drevet av ATP, er så effektiv at den kan produsere en 10.000 ganger forskjell i kalsiumkonsentrasjon fra den ene siden til den andre.

Bilde 4. DNA-replikasjon (helikase)

DNA jernbanevogner
Helikaser er molekylære motorer som reiser langs DNA-tråder som jernbanevogner på et spor. Ulike helikaser kan løsne opp DNA, duplisere DNA og reparere DNA. En annen artikkel i PNAS –her; rapporterer hvordan et lag ved University of Washington forbedret oppløsningen av en bestemt helikase med 1000 ganger. “Vi avledet en detaljert mekanisme for hvordan ATP-hydrolyse koordinerer bevegelsen av Hel308 langs enkeltstrenget DNA som sannsynligvis kan brukes på andre strukturelt liknende helikaser og viste at DNA-sekvensen i Hel308 påvirker bevegelsen,” sier de, og indikerer at informasjonen i dens plan er avgjørende for driften.

Tidligere studier viste at Hel308 beveger seg liksom en larve langs en DNA-streng, drevet av ATP langs hvert trinn. Det de fant var en finjustert interaksjon av energi mellom ADP og ATP i bevegelse, noe som garanterer retningsstyrt bevegelse:
-Våre data viser at i stedet for direkte å forårsake konformasjonsendringen, senket bundet ATP og ADP aktiveringsenergien for endringen , mens nukleotidets identitet (ATP eller ADP) bestemmer bevegelsesretningen. Dette antyder at Hel308 går langs esDNA [enkelt-strenget DNA] ved å utnytte energiforskjeller mellom ATP og ADP-bundne tilstander, noe som resulterer i styrt bevegelse av Hel308 langs esDNA.
De tror at en lignende prosess virker i andre helikaser også, og håper å bevise det med videre eksperimenter.

Bilde 5. Kondensin -pakker DNA til kromosomer

DNA-pakkeren
En annen maskin som går langs DNA er kondensin. Denne maskinen er viktig for å pakke DNA inn i kromosomer. Science Magazine rapporterer at “kondensinkomplekset er en mekankjemisk motor som bytter plassering langs DNA” –her. Denne viktige maskinen for DNA-pakking, “ikke tidligere vist å virke som en molekylær motor,” er ikke bare en motor, men pakker egentlig ned langs DNA hovedveien:

-Kondensinens translokasjonsaktivitet er rask og svært prosessiv, med individuelle komplekser som reiser en gjennomsnittlig avstand på ≥10 kilobaser med en hastighet på ~ 60 basepar pr sekund. Våre resultater tyder på at kondens kan ta skritt som er sammenlignbare i lengden til sine 50-nanometer-spiral-underenheter, som indikerer en translokasjonsmekanisme som er forskjellig fra noen som er rapportert for et DNA-motorprotein. Funnet at kondensin er en mekano-kjemisk motor har viktige implikasjoner for å forstå mekanismene for kromosom-organisasjon og kondensering.

En klokkelignende oscillator styrer cilia-bevegelse
Tittelen på en avhandling i Science Magazine –her; indikerer hvor denne kunngjøringen er tenkt: “Kalibrert mitotisk oscillator driver bevegelig ciliogenese.” Først og fremst vet vi at bevegelige cilia (en av Behe’s irreduserbart komplekse maskiner) lager strømninger: “Multi-cilierte celler genererer bevegelige cilia-drevne strømmer som er essensielle for hjernen, respiratoriske og reproduktive funksjoner. “Den “mitotiske oscillatoren”er” en konservert klokkelignende reguleringskrets “involvert i celledeling” (mitose). Et team fra Paris “oppdaget at ikke-delelige-celler også kunne implementere denne mitotiske klokkelignende reguleringskretsen for å dirigere sub-cellulær omorganisering assosiert med differensiering. Hva var det gamle William Paley sa om klokker?

Bilde 6. Bakterie-flagell (fra ‘Revolutionary’)

Kinesin nyheter

Et par artikler kaster mer lys på kinesens arbeid , ‘stjernen’ i en av våre molekylære maskinanimasjoner –her. En artikkel i PNAS fant at “Kinesin roterer ensrettet og genererer dreiemoment mens den går på mikrotubuler.” Det høres litt ut som en lykkelig dans; maskinen gjør en liten vri for hvert trinn.

-Gitt betydningen av cyto-skjelettale motoriske proteiner, spurte vi om translasjonsmotorer roterer mens de går langs deres spor. Ved å bruke en optisk pinsett-basert tilnærming målte vi samtidig omdanning, kraft, rotasjon og dreiemoment av en kinesinmotor med molekylær oppløsning. Vi fant at ganglaget fulgte en roterende trinnmekanisme som genererer moment og dreier lasten. Således vil motorens “hale (og organelle) underveis ha en tendens til å tvinne seg opp lik gummistrikken til et leketøy-fly”, som Joe Howard stilte opp som hypotese i 1996. For å bestemme den generelle motorens effektivitet peker våre målinger også på betydningen av å regne med rotasjonsarbeid. Bortsett fra andre cyto-skjeletale motorer, kan teknikken anvendes på molekylære maskiner som DNA-motorer og roterende motorer som ATP-syntasen.

En annen artikkel i PNAS –her; rapporterer hvordan forskere i Houston fant ny innsikt i hvordan kinesiner samarbeider. Forskningen, oppsummert på Phys.org –her, viser at “motorproteiner reagerer best på sterke krefter og nesten ikke på svake, selv de som brukes av motorer som er festet til samme last.” Det krever mye arbeid for å stoppe kinesin opp foran, fant de, men “sjef-kinesinet” får ikke mye hjelp fra andre kinesiner bak, selv når de er festet til samme last – med mindre de er veldig tett sammen. Dette kan muliggjøre reversering av motorer når de jobber i lag, sier forfatterne. Uansett årsak til denne “ujevne kraftdelingen mellom to bærende kineser”, viser det seg at de virkelig er maskiner som bruker energi til å utføre fysisk arbeid.

Bilde 7. Dynein og kinesin -skisse

Konklusjon

Nærbilder av molekylære maskiner legger virkelig intelligens og design i ID. Tenk på at ikke noe av dette var kjent for bare et halvt århundre siden. Vi lever i spennende tider for design-biologi.
Virkelige maskiner, gjør ekte fysisk arbeid på en meningsfull måte – det er ikke rart at alle disse avhandlingene og artiklene er pinlig tause om evolusjon.

Tager:ADPATPciliaDNAirreduserbar kompleksitetkinesinMichael Behe.

Oversettelse og bilder ved Asbjørn E. Lund