Toutes les cellules à noyau, de la levure à l'homme, sont organisées comme des villes, avec une variété de petits compartiments – des organites – qui servent d'usines où sont effectués différents sorts de travail. Certaines de ces usines, comme celles qui décomposent et recyclent les molécules, doivent continuellement pomper des protons – des atomes d'hydrogène dont les électrons sont éliminés – pour maintenir l'environnement acide dont elles ont besoin pour faire leur travail. Pour cela, ils s'appuient sur les grandes roues moléculaires.




Intégrées dans la membrane externe graisseuse de l'organite, ces machines microscopiques ont des rotors qui tournent 100 fois par seconde, captant les protons de l'extérieur de l'organite et les déposant à l'intérieur.

Premier regard détaillé sur la manière dont la grande roue moléculaire fournit des protons aux usines cellulaires

Les scientifiques ont maintenant compris une étape clé dans le fonctionnement de ces grandes roues dans une pompe à protons de levure connue sous le nom d'ATPase vacuolaire (V-ATPase). Les résultats de leur étude ont été publiés dans Science Advancements aujourd'hui, donnant aux scientifiques un aperçu d'un processus fondamental qui pourrait potentiellement être exploité pour contrecarrer la maladie.




« Les pompes à protons V-ATPase remplissent un huge éventail de fonctions, de l'aide à transmettre des signaux nerveux à l'aide de cellules spécialisées à sécréter de l'acide pour maintenir l'os », a déclaré Stephan Wilkens, biochimiste à l'Université médicale SUNY Upstate et co-auteur de l'étude. « Les dysfonctionnements de ces devices moléculaires contribuent à des maladies telles que l'ostéoporose, la neurodégénérescence, le diabète, le cancer et le sida, il est donc significant de les comprendre pour la santé humaine. »

Wah Chiu, professeur au SLAC et à Stanford et codirecteur des installations Cryo-EM de Stanford-SLAC où l'imagerie a été réalisée, a déclaré que les scientifiques étudiaient déjà comment ces pompes dans les cellules humaines pourraient affecter la réplication du virus responsable du COVID-19 chez les patients. « Il s'avère que la majorité des médicaments thérapeutiques sur le marché ciblent des equipment moléculaires comme celle-ci qui se trouvent dans les membranes cellulaires », a-t-il ajouté.

Aucune cellule humaine ne peut fonctionner sans pompes à protons, qui aident entre autres les organites à intercepter les virus et autres pathogènes et à les détourner vers les poubelles cellulaires.

Alors que des études précédentes avaient déterminé la structure moléculaire et la fonction de foundation des V-ATPases dans un certain nombre d'organismes, Wilkens a déclaré: « La grande query était de savoir remark fonctionnent-ils ? Pour expliquer le mécanisme, il est utile de le voir en motion, tout comme le leading. des instantanés en série d'un cheval au galop ont finalement réglé la dilemma de savoir s'il avait toujours au moins un sabot au sol. La réponse était non.  »

Lors de recherches antérieures sur la cryo-EM, Chiu, Wilkens, le chercheur postdoctoral du SLAC / Stanford Soung-Hun Roh et d'autres ont produit des images haute résolution qui leur ont permis d'identifier les 10 « sièges » d'acides aminés sur la grande roue de levure qui lient les protons et les transportent à travers la membrane jusqu'à l'intérieur de l'organite, ainsi que d'autres acides aminés qui les attrapent à leur arrivée. Sur la foundation de cette graphic, ils ont suggéré que la chute de protons pourrait être facilitée par des molécules d'eau

Dans l'étude actuelle, grâce à une autre série d'imagerie cryo-EM à résolution encore in addition élevée au SLAC, ils ont pu localiser les molécules d'eau autour du chemin présumé du proton. Pour donner vie au moteur de la pompe à protons, un groupe de recherche dirigé par Abhishek Singharoy de l'Arizona Condition University Biodesign Institute a développé des simulations informatiques du processus et les a exécutées sur un supercalculateur DOE au Oak Ridge Countrywide Laboratory.

Les simulations, qui incorporaient des buildings cryo-EM dérivées d'images de la grande roue de levure capturées à deux details différents de sa rotation, ont confirmé les molécules d'eau observées expérimentalement alignées pour previous des « fils » au place de chute des protons. Ces fils transportent les protons de leurs sièges sur la grande roue vers les details d'atterrissage à l'intérieur de l'organelle, comme un pompier passant des seaux most important à most important, comblant un espace dans lequel ils ne pouvaient pas naviguer seuls.

À l'avenir, a déclaré Chiu, les progrès récents de la cryo-EM qui permettent l'imagerie de particules individuelles à une résolution atomique – même lorsqu'elles prennent des formes légèrement différentes – ouvriront de nouvelles opportunités pour l'utiliser comme un outil pour découvrir des médicaments efficaces pour les maladies impliquant des protons. pompes.