Inre proteinrörelse förklarar cellens energibalans

De molekylära mekanismerna som ligger till grund för hur en cell styr energikonsumtion och lagring är ännu inte helt kända.

– Vår studie presenterar nya rön för en välkänd enzymatisk reaktion i cellen. Studien bidrar till den generella förståelsen av hur proteiner förändrar sin struktur för att utföra sin biologiska funktion, säger Magnus Andersson, universitetslektor på Kemiska institutionen vid Umeå universitet.

Proteiner förändras enligt särskilda mönster

Ett proteins struktur är mycket dynamisk. De strukturella förändringar som ett protein kan genomgå är inte slumpmässiga, utan omsorgsfullt koordinerade att följa en viss ordning och mönster. Den här typen av dynamik är inkodad i proteinets struktur och har alltså evolverat för att utföra en viss funktion så bra som möjligt. Man kan likna det vid en förbränningsmotor där de olika delarna måste röra sig i en förutbestämd ordning, och vid specifika tidpunkter.

För att få en djupare förståelse för en biologisk funktion behöver man studera den aktuella mekanismen i realtid.

Filmade proteinets kemiska reaktion i realtid

Magnus Andersson och hans kollegor har ”filmat” reaktionen med hjälp av snabba röntgenpulser i ESRF-synkrotronen i Grenoble i Frankrike. På så vis kunde de studera rörelser i proteinet adenylatkinas med bakterien E. coli som modellsystem.

Tidsupplösta experiment kräver att man kan starta den eftersökta reaktionen på ett sätt så att tillräckligt många proteinmolekyler reagerar på samma gång. Här använde sig forskarna av en laserpuls för att frigöra den energirika molekylen ATP från en ljuskänslig inaktiv ATP-förening. På så vis kunde de följa när proteinet slöt sig kring ATP i närvaro av en AMP (adenosin-mono-fosfat).

– Det sker mycket spännande forskning inom området för den här typen av ljuskänsliga föreningar som i princip möjliggör liknande experiment för ett stort antal viktiga proteiner, säger Magnus Andersson.

Enzymet förändrades på 4,3 millisekunder

Adenylatkinas-proteinet slöt sig halvvägs runt ATP- och AMP-molekylerna på 4,3 millisekunder och visade tydliga tecken på att vecka upp sig – det vill säga tillfälligt förlora sin stabila struktur. Denna typ av lokal uppveckning har föreslagits vara en generell mekanism för hur proteiner kan genomgå strukturella förändringar enligt en så kallad ”cracking”-modell.

Professor Magnus Wolf-Watz’ forskargrupp vid Umeå universitet bekräftade synkrotronmätningarna med kompletterande mätningar med kärnmagnetisk resonans, NMR. Dessa forskare visade också att den ATP-bindande delen av (en destabiliserad variant av) adenylatkinas-proteinet genomgick en betydande uppveckning före ATP-bindning.

Kemiska interaktioner synkroniserar proteinets rörelser

Forskarna menar att det är möjligt att den observerade stängningsmekanismen är beroende av ett specifikt mönster av kemiska interaktioner. Det är dessa interaktioner som synkroniserar rörelser som de observerade hos proteinet.

Nu kan forskarna designa tidsupplösta röntgenspridningsförsök för att identifiera alla komponenter i detta känsliga energireglage i våra celler.

Utvecklingen av synkrotronanläggningen MAX IV i Lund visar stor potential för att den här typen av experiment ska kunna utföras också i Sverige inom en snar framtid.

Vetenskaplig artikel:

Tracking the ATP-binding response in adenylate kinase in real time. Science Advances in press, (Orädd, F., Ravishankar, H., Goodman, J., Rogne, P., Backman, L., Duelli, A., Pedersen, M.N., Levantino, M., Wuljj, M., Wolf-Watz, M., Andersson, M.), Science Advances

Kontakt:

Magnus Andersson, Kemiska institutionen vid Umeå universitet, magnus.p.andersson@umu.se