Investigadores del Instituto Weizmann de Ciencias han desvelado el sofisticado mecanismo por el cual las máquinas moleculares AAA+ presentes en las células de todos los organismos vivos desenredan rápidamente proteínas mal plegadas. Sus hallazgos, publicados en *Nature Communications*, revelan cómo las células realizan el control de calidad de sus proteínas y podrían arrojar luz sobre las causas de enfermedades como la neurodegeneración y el cáncer. Además, este descubrimiento podría inspirar el desarrollo de máquinas moleculares artificiales de alta eficiencia.
Durante la última década, los científicos han visualizado las estructuras tridimensionales de estas máquinas AAA+ congelándolas y examinándolas con microscopios electrónicos. Estas máquinas constan de seis subunidades proteicas dispuestas en anillo, formando un canal central por el cual se guía una cadena proteica enredada o mal plegada para su corrección. La pregunta central que motivó esta investigación era cómo estas diminutas máquinas convierten la energía química en una acción mecánica efectiva para tirar de la cadena proteica.
La hipótesis predominante sugería un mecanismo de “mano sobre mano”, donde la máquina usaría ráfagas de energía para impulsar una subunidad, sujetar la proteína y tirar de ella en un ciclo repetitivo. Sin embargo, esta teoría no concordaba con observaciones biofísicas previas. Para resolver esta discrepancia, el equipo liderado por el Dr. Remi Casier desarrolló un método innovador que les permitió monitorizar en tiempo real el paso de una cadena proteica a través de la maquinaria molecular, en lugar de depender de imágenes estáticas.
Utilizaron sensores fluorescentes unidos a la caseína, una proteína de la leche, y a la máquina AAA+. Un sensor verde se colocó en la caseína, uno naranja en la entrada de la máquina y uno rojo en su salida. Al medir la intensidad de cada color, los investigadores pudieron determinar con precisión la ubicación de la proteína en cada momento. Para asegurar que la proteína y la máquina interactuaran repetidamente, las confinaron dentro de una diminuta burbuja lipídica (un liposoma) que permitía la entrada de ATP, la molécula que proporciona energía a la mayoría de las máquinas moleculares.
Los resultados fueron sorprendentes. La proteína se desplazó a través del canal a una velocidad vertiginosa, en apenas unos milisegundos, a pesar de que la máquina tarda más de medio segundo en descomponer una sola molécula de ATP. Esto demostró la enorme eficiencia energética de la máquina y refutó el modelo de “paso a paso”. Los investigadores se vieron obligados a replantearse el mecanismo subyacente.
Para comprender mejor el papel del ATP, realizaron dos experimentos clave. Primero, sustituyeron el ATP por moléculas similares pero inactivas, observando que el movimiento de la proteína dentro del canal se volvía errático. Segundo, redujeron gradualmente la concentración de ATP, lo que provocó una disminución drástica en el número de eventos de inserción, pero apenas afectó la velocidad de cada inserción.
“Descubrimos que la máquina utiliza energía para iniciar el proceso de enhebrado y mantener el movimiento direccional, pero no para tirar de la cadena con fuerza ni acelerar su movimiento”, explica el profesor Gilad Haran. “Proponemos que la máquina molecular funciona como una puerta giratoria. Cuando la proteína entra, puede intentar moverse en cualquier dirección. Pero la máquina está estructurada de tal manera que, en presencia de ATP, solo el movimiento en una dirección produce movimiento hacia adelante, mientras que los intentos de moverse en la dirección opuesta se bloquean”.
Este mecanismo se basa en el principio del motor browniano, que describe el movimiento aleatorio de partículas en un fluido. Dado que las proteínas se encuentran en constante movimiento aleatorio, este enfoque es altamente eficiente en términos energéticos. Los bucles en la pared del canal se extienden hacia su interior y, como las aspas de una puerta giratoria, determinan la dirección de movimiento preferida. La máquina utiliza energía para asegurar que estos bucles oscilen en la dirección correcta.
En la fase final del estudio, los investigadores analizaron los fallos en el proceso, donde la proteína no completaba su paso a través del canal. Descubrieron que durante estos fallos, la proteína se movía de un lado a otro dentro del canal hasta que, accidentalmente, salía por el mismo extremo por el que había entrado. Esto sugiere que no existen grandes fluctuaciones de energía ni fuerzas potentes dentro del canal, sino un mecanismo sutil de guía del movimiento que, ocasionalmente, es propenso a errores.
“En este nuevo estudio, pudimos vislumbrar el funcionamiento interno de una importante máquina molecular que ha estado operando en las células durante miles de millones de años”, afirma Haran. “En muchos procesos patológicos, como la neurodegeneración y el cáncer, el control de calidad de las proteínas celulares falla, lo que provoca la acumulación de proteínas mal plegadas. Comprender los mecanismos de control es crucial para descubrir por qué sucede esto y cómo se podría prevenir. Además, las máquinas AAA+ desempeñan muchas funciones más allá del control de calidad: transportan proteínas y material genético y los mueven a través de las membranas, y planteamos la hipótesis de que el mecanismo browniano que identificamos también impulsa estos procesos”.
El Premio Nobel de Química de 2016 fue otorgado por el desarrollo de máquinas moleculares artificiales. Los nuevos hallazgos del Instituto Weizmann podrían permitir a los ingenieros mejorar el diseño de estas máquinas, aprovechando la eficiencia energética del motor browniano. En el futuro, estas máquinas podrían realizar tareas prácticas e integrarse en motores y ordenadores.
El estudio contó con la participación de las doctoras Dorit Levy e Inbal Riven, del Departamento de Física Química y Biológica de Weizmann, y el Dr. Yoav Barak, del Departamento de Apoyo a la Investigación Química del Instituto.
