Аппарат представляет собой белковый комплекс, называемый дезагрегазой. Он помогает разорвать нити проблемных, неправильно свернутых белков, которые могут накапливаться и становиться токсичными для клеток — например, амилоидные белки, связанные с болезнью Альцгеймера. Восстановленные белки затем либо повторно укладываются, либо разрушаются, чтобы предотвратить дисфункцию и поддерживать баланс в клетке.
Структуры были определены группой под руководством Университета Мичигана с использованием криоэлектронной микроскопии и выполнены в сотрудничестве с исследователями из Университета Пенсильвании. Их результаты, на которые потребовалось около 200 000 часов вычислений, должны быть опубликованы 15 июня в журнале Science.
Ученые ранее понимали, что делает дезагрегаз, но не совсем понимали, как он работает.
«Похоже, что он протягивает субстраты ступенчато, как храповик», — сказал старший автор исследования Дэниел Саутворт, доцент Института естественных наук Университета штата Мэриленд, где расположена его лаборатория, и кафедры биологической химии Медицинской школы Университета штата Нью-Йорк.
"Это очень упорядоченный процесс, который перемещается между шестью подразделениями машины. Мы можем видеть, как белки в машине перестраиваются между разными состояниями, чтобы захватить следующий сайт на субстрате.
Было предложено несколько моделей того, как это происходит, и теперь мы впервые можем начать видеть, что происходит на самом деле."
Полученные данные предполагают, что аналогичные механизмы могут действовать в более широком смысле в этом важном классе белков, которые называются белками ААА — для АТФаз, связанных с разнообразной клеточной активностью.
Другие члены этого класса, например, участвуют в репликации и репарации ДНК. Белки ААА содержатся в клетках растений и животных, а также в бактериях и вирусах.
По словам Саутворта, лучшее понимание клеточных механизмов может помочь ученым при разработке новых лекарств или более глубоком изучении биологических процессов.
«Наше исследование показывает, как клетки могут разрушать агрегаты токсичных белков, чтобы сделать их растворимыми и восстановить их функции», — сказал он. "Если мы хотим попытаться использовать мощь этих молекулярных машин, важно иметь четкое представление об их механике."
Криоэлектронная микроскопия — или крио-ЭМ — это развивающаяся передовая технология визуализации, которая включает мгновенное замораживание белков в тонком слое раствора. Затем используется сфокусированный пучок электронов, чтобы выявить форму этих очень маленьких объектов нанометрового размера. Специализированный компьютерный анализ необходим для объединения сотен тысяч отдельных двумерных снимков, чтобы собрать трехмерную форму с разрешением, близким к атомному.
Технология также может сортировать белки, которые находятся на разных стадиях биологического процесса, тем самым помогая собрать воедино то, как биологическая машина движется, изменяется и функционирует.