Intentar desenredar un nudo en una maraña de hilos puede ser frustrante y llevar mucho tiempo. Pero no ocurre lo mismo con las máquinas moleculares: moléculas que convierten la energía química en trabajo mecánico y movimiento. Las máquinas de la familia AAA+, presentes en las células de todos los organismos vivos, desde bacterias hasta humanos, pueden, entre otras funciones, reconocer cadenas de proteínas mal plegadas y desenredarlas rápidamente.
Investigadores del laboratorio del profesor Gilad Haran en el Instituto Weizmann de Ciencias han descifrado este sofisticado mecanismo, que es a la vez rápido y extraordinariamente eficiente. Sus hallazgos, publicados recientemente en Nature Communications, revelan cómo las células realizan el control de calidad de sus proteínas y podrían ayudar a explicar por qué este control falla en enfermedades como la neurodegeneración y el cáncer. También podrían servir de inspiración para el desarrollo de máquinas moleculares artificiales de alta eficiencia.
Durante la última década, los científicos han logrado visualizar las estructuras tridimensionales de las diminutas máquinas AAA+ congelándolas y examinándolas con microscopios electrónicos. Descubrieron que cada máquina consta de seis subunidades proteicas dispuestas en anillo, formando un canal central. Cuando una cadena proteica en la célula se enreda o se pliega incorrectamente, estas máquinas intervienen, desenredando la cadena al guiarla a través del canal.
Pero, ¿qué fuerza impulsa la cadena? Hasta ahora, no estaba claro cómo una diminuta máquina molecular convierte la energía química dentro de la célula en una acción mecánica de tracción efectiva. La hipótesis predominante proponía un mecanismo de “mano sobre mano”: en cada ciclo, la máquina usaría una ráfaga de energía para impulsar un “brazo” (una subunidad) hacia adelante, sujetar la cadena proteica y tirar de ella, repitiendo el ciclo hasta que toda la cadena hubiera pasado. Sin embargo, este modelo no coincidía con varias observaciones biofísicas reportadas en la literatura científica.
Para abordar esta cuestión, los investigadores —liderados por el Dr. Remi Casier del laboratorio de Haran en el Departamento de Física Química y Biológica del Instituto Weizmann— desarrollaron un método que les permitió monitorizar, en tiempo real y no mediante imágenes estáticas, el paso de una cadena proteica a través de la maquinaria molecular. Utilizaron sensores fluorescentes unidos a la caseína, una proteína de la leche, y a la máquina AAA+ que la procesa. Un sensor verde se colocó en la caseína, uno naranja en la entrada de la máquina y uno rojo en su salida.
En 2016, el Premio Nobel de Química fue otorgado por el desarrollo de máquinas moleculares artificiales. Los nuevos hallazgos podrían permitir a los ingenieros mejorar el diseño de dichas máquinas.
Cuando los sensores estaban muy separados, solo se observaba la fluorescencia verde; pero a medida que la proteína se desplazaba por el canal, transfería energía al sensor naranja o rojo. Midiendo la intensidad de cada color, los investigadores podían determinar con precisión la ubicación de la proteína en cada momento. Para asegurar encuentros repetidos entre la proteína y la máquina, los investigadores las confinaron dentro de una diminuta burbuja lipídica (un liposoma) que impedía su dispersión, al tiempo que permitía la entrada de moléculas de ATP, el “combustible” utilizado por la mayoría de las máquinas moleculares.
“El segmento de proteína marcado 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 y extraer energía de ella”, explica Haran. “Esto reveló la enorme eficiencia energética de la máquina y puso en entredicho el modelo de ‘paso a paso’, que se basa en ráfagas de energía y grandes saltos. Tuvimos que replantearnos todo el mecanismo”.
Una puerta giratoria molecular
Para comprender mejor el papel del ATP en la actividad de la máquina, los investigadores realizaron dos experimentos. En el primero, sustituyeron el ATP por moléculas de estructura similar pero prácticamente inactivas y observaron que el movimiento dentro del canal se volvía errático. En el segundo experimento, redujeron gradualmente la concentración de ATP sin eliminarlo por completo. Observaron una drástica disminución en el número de eventos de inserción, pero, para su sorpresa, la velocidad de cada inserción apenas varió.
“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 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”. Dado que las proteínas se encuentran naturalmente en constante movimiento aleatorio, este mecanismo —conocido como motor browniano, en honor a Robert Brown, quien fue el primero en observar el movimiento aleatorio de pequeñas partículas bajo un microscopio— es altamente eficiente en términos energéticos.
“Basándonos en estos hallazgos e investigaciones previas, ahora podemos especular en detalle sobre lo que ocurre dentro de la máquina molecular”, añade Haran. “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 se centraron en los fallos, en los que el paso a través del canal no se completaba. “Estos fallos duraron un tiempo relativamente largo”, explica Haran. “Observamos que, durante su desarrollo, la proteína se movía de un lado a otro dentro del canal hasta que, por error, salía por el mismo extremo por el que había entrado. Esto indica que no existen grandes fluctuaciones de energía ni fuerzas potentes dentro del canal, sino más bien 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”.
En 2016, el Premio Nobel de Química se otorgó por el desarrollo de máquinas moleculares artificiales, como un pequeño ascensor, un músculo artificial y nanocoches. Los nuevos hallazgos del Instituto Weizmann podrían permitir a los ingenieros mejorar el diseño de dichas máquinas.
“La eficiencia energética del motor browniano podría suponer un gran avance en el desarrollo de máquinas moleculares artificiales”, afirma Haran. “En el futuro, estas máquinas podrían realizar tareas prácticas e integrarse en motores y ordenadores”.
En el estudio también participaron 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.
