Représentation artistique de la jonction Holliday et des moteurs RuvB. Crédit :CSSB, Nicola Graf
Les moteurs moléculaires sont des dispositifs complexes composés de nombreuses parties différentes qui consomment de l'énergie pour effectuer diverses activités cellulaires. En bref, les machines moléculaires transforment l'énergie en travail utile. La compréhension des aspects mécaniques sous-jacents à ces moteurs commence par la génération d'une description détaillée de leur architecture globale et de leur organisation atomique. Cependant, pour découvrir les mécanismes centraux qui alimentent ces moteurs, il est essentiel de décoder toute la dynamique moléculaire dans les détails atomiques.
Maintenant, l'équipe de recherche de Thomas C. Marlovits du Center for Structural Systems Biology CSSB à DESY et du University Medical Center Hamburg-Eppendorf (UKE) à Hambourg révèle l'architecture, le cycle fonctionnel complet et le mécanisme d'un tel moteur moléculaire. Ils rapportent dans la revue Nature , comment un "complexe de migration de branche RuvAB" convertit l'énergie chimique en travail mécanique pour effectuer la recombinaison et la réparation de l'ADN.
La recombinaison de l'ADN est l'un des processus biologiques les plus fondamentaux chez les organismes vivants. C'est le processus par lequel les chromosomes "échangent" l'ADN soit pour générer de la diversité génétique, en créant une nouvelle progéniture, soit pour maintenir l'intégrité génétique, en réparant les cassures des chromosomes existants. Au cours de la recombinaison de l'ADN, quatre bras d'ADN se séparent de leurs formations en double hélice et se rejoignent à une intersection connue sous le nom de jonction Holliday. Ici, les bras d'ADN échangent des brins dans un processus appelé migration de branche active.
L'énergie essentielle nécessaire à cette migration de branche provient d'une machinerie moléculaire que les scientifiques ont identifiée comme le complexe de migration de branche RuvAB. Ce complexe s'assemble autour de la jonction Holliday et est composé de deux moteurs étiquetés RuvB AAA+ ATPases, qui alimentent la réaction, et d'un stator RuvA. L'équipe de recherche a maintenant fourni un plan complexe qui explique comment les moteurs RuvB AAA+ fonctionnent sous la régulation de la protéine RuvA pour effectuer un mouvement synchronisé de l'ADN.
Les migrations des branches actives dynamisées par la molécule motrice RuvB AAA+ sont très rapides et très dynamiques. Pour déterminer les différentes étapes de ce processus, les scientifiques ont utilisé la cryomicroscopie électronique à résolution temporelle pour observer la machinerie du moteur au ralenti. "Nous avons essentiellement fourni au moteur RuvB AAA+ un carburant à combustion plus lente qui nous a permis de capturer les réactions biochimiques au fur et à mesure qu'elles se produisent", explique Marlovits.
Le scientifique a capturé plus de dix millions d'images de la machinerie motrice interagissant avec la jonction Holliday. Jiri Wald (CSSB, UKE et membre du Vienna BioCenter Ph.D. Program), le premier auteur de l'article, a passé au peigne fin l'immense quantité de données et a soigneusement classé les changements subtils se produisant dans chaque image. Grâce à l'installation de calcul haute performance de DESY, les scientifiques ont ensuite pu assembler toutes les pièces du puzzle pour générer un film haute résolution détaillant le fonctionnement du complexe RuvAB à l'échelle moléculaire.
"Nous avons pu visualiser sept états distincts du moteur et démontrer comment les éléments interconnectés fonctionnent ensemble de manière cyclique", explique Wald. "Nous avons également démontré que le moteur RuvB convertit l'énergie en un mouvement de levier qui génère la force qui entraîne la migration des branches. Nous avons été étonnés par la découverte que les moteurs utilisent un mécanisme de levier de base pour déplacer le substrat d'ADN. Dans l'ensemble, le mécanisme séquentiel, la coordination et la manière de générer de la force du moteur RuvAB partagent des similitudes conceptuelles avec les moteurs à combustion."
Les moteurs AAA+ sont souvent utilisés dans d'autres systèmes biologiques, tels que le transport de protéines. Par conséquent, ce modèle détaillé du moteur RuvB AAA+ peut être utilisé comme modèle pour des moteurs moléculaires similaires. "Nous comprenons comment le moteur fonctionne et maintenant nous pouvons mettre ce moteur dans un autre système avec quelques adaptations mineures", explique Marlovits. "Nous présentons essentiellement les principes de base des moteurs AAA+."
Les travaux futurs du groupe Marlovits exploreront les moyens d'interférer avec le fonctionnement des moteurs AAA+. Cela pourrait servir de base au développement d'une nouvelle génération de médicaments, qui perturberaient les mécanismes d'un tel moteur chez les pathogènes et stopperaient ainsi la propagation de l'infection. "Nous sommes ravis d'explorer les possibilités qui existent maintenant que nous avons un plan du moteur RuvB AAA+", note Wald. Premier nanomoteur électrique fabriqué à partir de matériau ADN
