Visualisation du mouvement du moteur moléculaire :la FoF1 synthase est orientée de sorte que le composant F1 soit attaché via des liaisons histidine à une lame de microscope recouverte de nickel (rectangle gris). Une nanotige d'or est liée par l'avidine-biotine à l'anneau de la sous-unité c du complexe Fo (représenté par des bandes gris clair et gris foncé), qui tournent par rapport à la sous-unité-a (goujons vert vif). Un axe (vert foncé) relie les moteurs FoF1. Le nanodisque stabilisant est représenté avec des segments bleus et des haltères bicouches lipidiques brunes.
Grâce à une subvention de 1,2 million de dollars des National Institutes of Health (NIH), Wayne Frasch, scientifique de l'Arizona State University, est en train de déchiffrer le fonctionnement de l'un des plus petits moteurs moléculaires au monde dans les cellules vivantes. Dans le processus, il met également en lumière un casse-tête de physique qui laisse perplexe les scientifiques depuis plus de 40 ans.
Frasch, professeur à la Faculté des sciences de la vie, examine le moteur moléculaire Fo, son mécanisme d'action et comment il s'associe au moteur F1 dans le cadre de la FoF1 ATP synthase. À environ 10 nanomètres de diamètre, chaque moteur est 10, 000 fois plus petit que la largeur d'un morceau de papier. Dans les êtres vivants, Fo et F1 sont reliés par un axe rotatif commun qui permet aux deux moteurs de fonctionner ensemble et de fournir de l'énergie aux cellules sous forme d'adénosine triphosphate (ATP).
La recherche de moteurs à l'échelle nanométrique n'est pas seulement compliquée par la taille. Les moteurs moléculaires fonctionnent via des mouvements extrêmement petits qui se produisent sur des échelles de temps extrêmement difficiles à mesurer. Le moteur moléculaire Fo est également intégré dans la membrane lipidique d'une cellule vivante, qui n'a que deux molécules d'épaisseur. Ajout au défi expérimental est le fait que l'énergie de rotation des moteurs moléculaires provient du flux de protons, particules atomiques chargées positivement, à travers cette membrane.
Le laboratoire Frasch fait partie des quelques laboratoires équipés pour visualiser la rotation d'une seule molécule du moteur Fo. Frasch et ses collègues de l'ASU College of Liberal Arts and Sciences ont développé un système expérimental qui intègre le moteur Fo dans une bicouche artificielle de phospholipides déposée dans des nanodisques, qui aident à stabiliser les complexes moléculaires. Le groupe de Frasch a alors conçu une stratégie d'imagerie, en utilisant des nanotiges d'or attachées à Fo pour surveiller la rotation des molécules de FoF1.
« En savoir plus sur ces minuscules, mais extraordinairement efficaces - près de 100 pour cent - les moteurs moléculaires offrent une voie au développement de nouvelles technologies, tels que les sources d'alimentation pour les nanodispositifs économes en carburant et les applications nanotechnologiques telles que la détection moléculaire, informatique et biomédecine, ", dit Frasch.
L'un des premiers résultats des expériences FoF1 de Frasch et de l'équipe ASU, récemment publié dans EMBO Journal, fournit de nouveaux indices alléchants sur une vieille énigme :un cliquet brownien proposé pour la première fois par le physicien Richard Feynman il y a plus de 40 ans.
"Des études antérieures sur le moteur Fo ont conduit les chercheurs à proposer que Fo contienne un cliquet moléculaire capable de biaiser le mouvement brownien, le mouvement aléatoire des molécules, d'une manière qui favorise la rotation dans le sens de la synthèse d'ATP, », dit Frasch. « Cependant, peu de preuves existaient pour le type d'interruptions périodiques de la rotation compatibles avec ce type de mécanisme à cliquet.
Ce que l'on savait, c'est que le flux de protons à travers la membrane à travers les canaux Fo dans une sous-unité statique "a" entraîne la rotation dans le sens des aiguilles d'une montre du rotor annulaire "c" composé de 10 sous-unités c qui transportent chacune un seul proton. Cette rotation dans le sens horaire entraîne à son tour la synthèse d'ATP, qui se produit dans le moteur F1 car l'anneau en C se fixe à une extrémité de l'essieu qui relie les unités Fo et F1.
En utilisant une nanotige en or attachée à l'anneau en C d'une seule molécule de FoF1, Le groupe de Frasch peut examiner la rotation du moteur plus en profondeur. Le groupe mesure les changements d'intensité lumineuse de la nanotige en or lorsqu'elle (et l'anneau en C) tourne, ce qui permet à l'équipe de l'ASU de « voir » que le mouvement de rotation de l'anneau en C est périodiquement interrompu. « Quand la sous-unité-a a attrapé la sous-unité-c, l'interaction s'est comportée comme une laisse, permettant à l'anneau en C de tourner, mais à une limite d'incréments de 36 degrés lorsqu'il est engagé - comme un cliquet, " Frasch dit, "Cette interruption périodique ne s'est produite que dans des conditions dans lesquelles il y avait suffisamment de traînée sur la nanotige pour ralentir le moteur, similaire aux conditions trouvées dans une cellule vivante où l'ATP est maintenu à un niveau élevé.
Avec le nouveau financement du NIH, Le groupe de recherche de l'École des sciences de la vie de Frasch examinera si la laisse fait partie du cliquet Browning tant recherché. Comprendre comment ou si le mouvement brownien est exploité dans un cliquet moléculaire a le potentiel d'être utilisé dans le développement de moteurs moléculaires synthétiques à faible consommation d'énergie et de production d'énergie à l'échelle nanométrique.
