Come un grande complesso proteico si umwelt und Geomatik in una cellula

Le cellule producono un gran numero di complessi proteici diversi, che a loro volta sono composti da un gran numero di singole proteine. Questi complessi proteici, come i ribosomi, regolano quasi tutte le funzioni biologiche vitali di una cellula.

I biologi sono ora riusciti a determinare la struttura di molti di questi complessi proteici. Tuttavia, sono state condotte poche ricerche sul modo in cui tali complessi vengono assemblati dalle singole proteine e su come cambiano nel tempo. Utilizzando approcci convenzionali, gli scienziati non sono stati in grado di indagare l'esatto corso di queste reazioni nelle cellule, soprattutto quando si tratta di complessi di grandi dimensioni.

Un gruppo di ricercatori dell'ETH, guidato da Karsten Weis e dal suo personale scientifico Evgeny Onischenko presso l'Istituto di biochimica dell'ETH di Zurigo, presenta ora un nuovo approccio. Questo metodo permette di seguire la dinamica delle reazioni di assemblaggio di qualsiasi complesso proteico, anche molto grande, con un'elevata risoluzione temporale. Lo studio è stato appena pubblicato sulla rivista scientifica "pagina esternaLa cellula".

Ispirato alle analisi metaboliche

I ricercatori dell'ETH hanno chiamato il loro nuovo metodo "KARMA" (Kinetic analysis of incorporation rates in macromolecular assemblies). Karma" si basa su metodi di analisi dei processi metabolici. Da tempo gli scienziati utilizzano il carbonio radioattivo per studiare il metabolismo, ad esempio etichettando le molecole di glucosio. Le cellule le assorbono e le convertono nel loro metabolismo. Grazie all'etichettatura radioattiva, i ricercatori possono seguire dove e in quale momento avvengono le molecole di glucosio o i loro prodotti metabolici.

"Questo tipo di ricerca ci ha ispirato a studiare le reazioni di assemblaggio dei complessi proteici secondo un principio simile", spiega Weis. I ricercatori dell'ETH utilizzano aminoacidi etichettati, i mattoni di base delle proteine, che contengono varianti di carbonio e azoto isotopicamente più pesanti. In una coltura di cellule di lievito, i ricercatori sostituiscono gli aminoacidi leggeri con le loro controparti più pesanti. Quando sintetizzano le proteine, i lieviti utilizzano questi aminoacidi più pesanti, il che ha un effetto sul peso molecolare delle nuove proteine prodotte.

Time-lapse della formazione dei complessi

I ricercatori rimuovono le cellule di lievito dalle colture a intervalli regolari per isolare i complessi proteici. Utilizzando la spettrometria di massa, gli scienziati misurano la piccola differenza di peso tra le molecole con gli aminoacidi più pesanti e quelle senza. Questo fornisce un'indicazione dell'età di una proteina in un complesso. In parole povere, più una proteina è vecchia, prima è stata incorporata nel complesso. Utilizzando modelli cinetici, i ricercatori possono infine ricostruire l'esatta sequenza di assemblaggio di un complesso proteico da queste differenze di età.

Weis e i suoi collaboratori hanno scelto il complesso del poro nucleare delle cellule di lievito come caso di studio per convalidare il loro metodo. Questa struttura comprende da 500 a 1000 componenti, costituiti da circa 30 proteine diverse, ognuna delle quali si ripete più volte. Ciò rende questa struttura uno dei più grandi complessi proteici conosciuti.

Con l'aiuto di "Karma", i biochimici dell'ETH sono riusciti a capire in dettaglio quando vengono incorporati i moduli. Tra le altre cose, i ricercatori hanno scoperto un principio gerarchico: le singole proteine formano in brevissimo tempo delle subunità, che poi si assemblano dal centro alla periferia in una sequenza specifica.

Impalcatura durevole

"Siamo riusciti a dimostrare per la prima volta che alcune proteine sono state utilizzate molto rapidamente per costruire il complesso dei pori. Altre, invece, sono state incorporate nel complesso solo dopo un'ora. Questo richiede un tempo sorprendentemente lungo", dice Weis. Una cellula di lievito si divide ogni 90 minuti. Ciò significa che una cellula di lievito ha bisogno di quasi un'intera generazione per costruire completamente l'importantissimo complesso dei pori. Non si sa perché l'assemblaggio di nuovi pori richieda così tanto tempo in relazione al ciclo di riproduzione del lievito.

I ricercatori dell'ETH hanno anche dimostrato che, una volta completato, il poro ha componenti molto stabili e duraturi, come l'impalcatura interna, in cui quasi nessun componente viene sostituito durante la sua vita. Le proteine alla periferia del complesso del poro nucleare, invece, vengono sostituite frequentemente.

I pori nucleari difettosi favoriscono le malattie

I pori nucleari sono tra i più importanti complessi proteici delle cellule. Sono responsabili dello scambio di sostanze e molecole tra il nucleo e la linfa cellulare. Ad esempio, i pori nucleari trasportano l'RNA messaggero fuori dal nucleo cellulare. Il macchinario cellulare al di fuori del nucleo ha bisogno di queste molecole per creare nuove proteine.

I pori nucleari sono anche coinvolti direttamente o indirettamente nelle malattie umane. Ad esempio, le alterazioni del poro nucleare e delle sue proteine hanno un ruolo nella leucemia, nelle malattie neurodegenerative come l'Alzheimer o nel diabete. "In generale, però, non si capisce bene perché i difetti del poro portino a queste malattie", dice Weis. Con "Karma", queste domande potranno essere affrontate meglio in futuro.

Piattaforma versatile

"Anche se in questo lavoro abbiamo applicato il "karma" solo a un singolo complesso proteico, siamo entusiasti delle applicazioni future: il nostro metodo permette ora di decifrare le sequenze temporali di molti processi biologici", sottolinea l'ETH. Ad esempio, è possibile usare questa tecnica per analizzare gli eventi molecolari che si verificano durante il ciclo di infezione di virus come il Covid-19. Ciò potrebbe aiutare a trovare nuovi candidati farmaci che interrompano il ciclo di infezione.

Inoltre, il nuovo metodo può essere esteso Chi siamo alle proteine ad altre molecole biologiche come RNA o lipidi.