Jomuga: motor molekularrak

Kriomikroskopio elektroniko bidez lortutako irudiekin berreraiki dute phi-29 bakteriofagoaren kapsidea. Erdian, laranjaz, birusaren motor molekularra ageri da, DNA kapsidean sartzen ari dela. Irudia: Kapsidea Sander Tans eta Doug Smith, Marc Morais eta Michael Rossmannek lortutako irudietatik; DNA, Paul Thiessen.

Birusaren DNA aginduak ematen hasten da zelula ostalari batean sartzen denean, eta bere esanetara jartzen du lanean zelularen makineria. Beraz, DNA besterik ez dute behar birusek aurrera egiteko. Tira, DNA, eta hori babesteko estalki bat, edo kapsidea.

Zelula ostalariek, batetik, birusaren DNA horren hainbat kopia egiten dituzte, eta, bestetik, kapsidearenak. Hurrengo urrats batean sartzen da DNA kapsidearen barruan, eta orduan daude birus berriak zelula horretatik atera eta beste batzuei eraso egiteko prest. "Ordu-erdian, birus batetik laurogei birus sortzen dira", dio Carlos Bustamantek, Kaliforniako Unibertsitateko biofisikariak.

Bustamante, zehazki, phi-29 birusari buruz ari da, bere laborategian duela hamar urtetik ikertzen ari diren birusaz. Aurreko udazkenean, Donostian izan zen Atom by Atom kongresuan, eta han azaldu zituen birus horri lotuta egin dituzten ikerketak.

Phi-29 birusa bakterioei eraso egiten dien birus bat da, baina haren portaerak antz handia du gizakioi eragiten diguten beste hainbat birusenekin, hala nola poliomelitisa, herpesa eta barizela eragiten duten birusen portaerarekin. Beraz, batean behatzen dituzten mekanismoak eta gaixotasunari aurrea hartzeko estrategiak baliagarriak izan daitezke, seguru asko, besteetarako.

Motorra, jomuga

Kasu horretan, ikertzaileek birusa mihiztatzen duen mekanismoan jarri dute arreta; alegia, DNA kapsidearen barrura sartzen duen mekanismoan: motor molekular txiki batzuek hartzen dute parte, nano eskalako makinatxo batzuek; haiek ematen dute birusa eratzeko ezinbesteko urrats hori.

"Motor horiek deuseztatzea lortuko bagenu, birusak osatzea saihestuko genuke", azaldu du Bustamantek. Eta, hala, errotik egin ahal izango litzaieke aurre birusen infekzioei. Helburu horretara iristeko, baina, komeni da ahalik eta gehien ezagutzea motorra.

Carlos Bustamante biofisikaria irakaslea da Kaliforniako Unibertsitatean, ikertzailea Howard Hughes Medikuntza Institutuan eta zuzendaria Lawrence Berkeley Laborategi Nazionaleko Mikroskopia Aurreratuko Departamentuan.

Bustamantek azaldutakoaren arabera, birusaren DNA kapsidean sartzeko, "izugarrizko lan handia egin behar du motorrak". Hain zuzen, sei mila aldiz trinkotu behar du DNAk berez aske dagoenean duen bolumena. "Espageti gehiegi, hain buru txikirako" adierazi du.

Motorrak eraztun-itxura du, erdiko hutsunetik DNA kapsidean sartzen joan dadin. Hainbat proteina- eta entzima-multzoz eratutako motorra da, eta horietako multzo batean dago lan horren guztiaren muina edo, Bustamantek esan bezala, "motor horren benetako pistoiak". Hain zuzen, bost ATPasaz eratutako multzo bat da. ATPasak gai dira ATP-molekulen lotura jakin bat apurtzeko; lotura horiek apurtzean, energia askatzen da, eta energia hori erabilita, ATPasek konformazioa aldatzen dute. Hau da, energia kimikoa energia mekaniko bihurtzen dute ATPasek, motor arrunten pistoien antzera.

Bada, konformazio-aldaketa horretan, ATPasak kapsidearen barrualderantz uzkurtzen dira, eta mugimendu horrekin DNA kapsidean sartzen du motorrak.

Goliat aurrez aurre

Nola funtzionatzen duen jakin zutenean, harago joan nahi izan zuten Bustamantek eta bere kideek, eta motor horren "zehaztasun teknikoak" ezagutu nahi izan zituzten. Hau da, jakin nahi izan zuten zer indar duen, zer abiaduratan sartzen duen DNA kapsidearen barruan eta abar. Horretarako, nolabait "sokatiran" aritu ziren birusarekin; hau da, bi muturretatik heldu zieten kapsideari eta DNAri, eta indarrak neurtu zizkioten.

Batez beste, ikusi zuten segundoko 100 base-pare sartzen dituela birusak kapsidean. Dena den, abiadura motelduz joaten da DNA kapsidean pilatu ahala, kapsidearen barruko presioa gero eta handiagoa delako.

Abiadura motelduz joatearekin batera, lan hori egiteko behar den indarra ere gero eta handiagoa dela ikusi zuten. Bustamantek deskribatu bezala, "motor hori Goliaten parekoa da motor molekularren artean; sekula neurtutako motor ahaltsuena". Hain zuzen, DNA gehiena barruan duenean, hau da, indar handiena egin behar duenean, 57-60 pikonewtoneko indarra egitera irits daiteke motorra. "Izugarrizko indarra da hori", dio Bustamantek; eta beste zenbait motor molekularren ahalmenarekin alderatu zuen. "Esate baterako, gure giharrei uzkurtzeko aukera ematen dien miosinak ere ATPasak ditu, baina horietako bakoitzak bost pikonewtoneko indarra baino ezin du egin".

Zelulen arteko ingurunean ez dago energiarik; orduan ateratzen diote probetxua birusek DNA presio handian paketatu izanari. Irudia: © iStockphoto.com/Biogeek.

Hainbesteko indarra egindakoan DNA 60 atmosferako presioan pilatzen da kapsidean. Konparazio baterako, xanpaina 5-6 atmosferako presioan egoten da botiletan.

Noski, indar horiek guztiak egiteko, energia pila bat xahutu behar dute birusek; "kapsideak tamaina bikoitza izango balu, adibidez, energia asko aurreztuko lukete", azaldu du Bustamantek. Baina "birusaren helburua ez da energia aurreztea", dio. Azken batean, motorrak erabiltzen duen energia hori ez du birusak sortu behar, zelula ostalariarena da; hortaz, "berdin zaio energia neurriz gain xahutzea".

Eta, gainera, baliagarria ere bada birusarentzat zarrastelkeria hori guztia. Birus sortu berriak zelula ostalaritik ateratzean, ATPrik gabeko ingurune batera igarotzen dira: zelulen arteko ingurunera. Han ez dute energia lortzeko aukerarik, eta orduantxe ateratzen diote probetxua zelula ostalarian xahututako energia guztiari: beste zelula ostalari batengana iristen direnean, 60 atmosferako presiopean gordeta duten DNA txertatzen diote. "Energia potentzial hori energia zinetiko bihurtu, eta presiopean sartzen du DNA zelula ostalari berrian", azaldu du Bustamantek. Haren ustez, "Oso estrategia dotorea da".

Birusen kontra, eta gehiago

Motor molekularraren xehetasun horiek guztiak ezagututa, argi eta garbi ikusten da birusen kontrako oso estrategia eraginkorra lor litekeela motor molekularrak deuseztatzera iritsiz gero.

"Horretarako, baina, ez da nahikoa motor molekularren mekanika aztertzea", dio Itziar Alkortak, EHUko Biokimika eta Biologia Molekularra Saileko irakasleak. "Zalantzarik gabe, garrantzitsua da egin duten ikerketa, baina botikaren bat diseinatu nahi bada proteina-multzo hori deuseztatzeko, azterketa biokimikoak ere egin behar dira proteinen ezaugarriak ezagutzeko eta, hala, haien kontra egin dezaketen konposatuak aukeratu ahal izateko", gaineratu du Alkortak.

Alkortak, hain zuzen, azterketa biokimikoak egiten ditu beste motor molekular batekin. Motor hori ez dago birusekin lotuta, bakterioekin baizik. "Bakterioen konjugazioan parte hartzen duen motor molekular bat ari gara ikertzen". Ikertzaile-talde horren azkeneko helburua da konjugazioa deuseztatzera iristea, besteak beste "konjugazioaren bitartez hedatzen delako bakteriotik bakteriora antibiotikoekiko erresistentzia". Konjugazio esaten zaio bakterioetan behatzen den DNA-trukaketari, eta informazio asko partekatzen dute bakterioek horren bidez.

DNA barruraka bultzatzen duten eskutxoen bidez irudikatu dira hemen ATPasak. Birusaren kapsidea irekita ageri da, eta hala, ikus daiteke zer estu biltzen den barruan DNA. Irudia: Cell aldizkaria, 2008-12-26. SteveN McQuinn eta Venigalla Rao.

Behin beharrezko informazio guztia dutenean, eta zehatz-mehatz ezagutzen dituztenean motor molekularrei buruz ezagutu beharreko guztiak, errazagoa izango da motorren kontrako botikak garatzea. "Zailena sistema jakin baten makineria ezagutzea da, alegia, jakitea nola funtzionatzen duen maila molekularrean" dio Cesar Martinek, EHUko sail bereko beste kide batek. Gero, informazio hori izanda, "erraza da" sistema deuseztatzeko bideak bilatzea. Alkorta bat dator iritzi horrekin: "Ez da egun batetik bestera lortzen den zerbait, baina ez da lan zaila".

Baina zaila izan ez arren, kontu handiz kontrolatu beharreko zerbait da. Izan ere, "birusaren motorra gelditzeko ahaleginak osasuntsuak diren zeluletako motorrak ere gelditzeko arriskua izan lezake", nabarmendu du Alexander Bittner-ek, CIC nanoGUNEko automihiztatzeen taldeko buruak.

Haien kontra egiteko ez ezik, motor molekularren mekanismoak zehatz-mehatz ezagutzeak aukera eman dezake imitazioz nano eskalako tresna bioteknologikoak asmatzeko. Azken batean, mugimenduarekin lotuta dauden prozesu zelular guztietan, hala nola flageloen mugimenduan, zelulen bikoizketan eta muskuluen uzkurketan motor molekularren bat dago tartean sartuta. Hortaz, horrelako edozein sistema imitatzeko aukera izango dugu motorrak imitatzen edo manipulatzen ikasten dugunean, eta gai izango gara mugitu ezin diren zelulak, edo nano eskalako makinak, mugikor bihurtuko dituen motorrez hornitzeko.

Esate baterako, terapia genikoetarako erabili ahal izango direla aipatu du Alkortak. "Terapia genikoetan, oinarrian, DNA-zati bat sartzen da zelula jakin batzuetan, DNA horri esker zelulan gertatzen ari den prozesuren bat ekiditeko edo, alderantziz, gertatzen ari ez den zerbait bultzatzeko". Hainbatetan, eraldatutako birusak erabiltzen dira bektore gisa, zelulen barrura sar dezaten DNA. Baina askoz eraginkorragoa litzateke motor molekularrak bakarrik erabili ahal izatea, gai izango baikinateke DNA zuzenean zelulen barrura ponpatzeko.

Edonola ere, helburu edo aplikazio horiek urrunegi daude oraindik. "Nik oinak lurrean izatea dut gustuko, eta aipatutako hori etorkizunean dago; gaur egun ez da horrelakorik egitea lortu, nik dakidala" dio Alkortak. Dena den, nabarmendu du gutxi ere ez dela: "Lehenago edo beranduago, lortuko dugu horrelako sistemekin lan egitea. Bidean goaz".

Motorrarekin sokatiran

Birusen motor molekularrak aztertzeko, nanoteknologia izan dute oinarrizko tresna Carlos Bustamante biofisikariak eta bere taldeko ikertzaileek. Izan ere, birus bakar batekin eta DNA-molekula bakar batekin ibili dira lanean.

Birusa eta DNA errazago maneiatzeko, horrelakoetan askotan erabiltzen diren bolatxo berezi batzuez baliatu ziren. Bolatxo baten gainazalean phi-29 birusa ezagutzen duten antigorputz espezifikoak jarri zituzten, antigorputzak birusa harrapa zezan.

Gero, birusaren inguruan DNA-molekula eta ATPa jarrita, birusa DNA kapsidearen barrura sartzen hasi zen; prozesu hori, baina, berehala eten zuten, eta, hala, DNA gehiena zintzilik zuen birus bat lortu zuten. DNAren beste muturra, kanpoan gelditu zena, beste bolatxo batekin lotu zuten, bolatxoaren gainazalean DNAren mutur hori ezagutuko zuten molekula jakin batzuk jarrita.

(Argazkia: Oihane Lakar; Nature aldizkarian argitaratutako iruditik moldatua (Smith et al., 2001. Nature 413: 748-752).)

Hala, bi bolatxo horiekin jolastuz hainbat esperimentu eta neurketa egin ahal izan zituzten. Jolasteko, ingurunean ATPa jarri zuten, birusa DNA kapsidean sartzen joan zedin.

Birusaren kapsideari lotutako bolatxoa mikropipeta bidez kontrolatu zuten, eta bestea, DNAren muturrari lotutakoa, pintza optiko berezi batzuen bitartez. Pintza optikoak, oinarrian, objektu jakin batzuk harrapatzeko gai diren laser izpiak dira, eta aukera ematen dute objektuak --kasu horretan, bolatxoa-- batetik bestera mugitzeko izpiak mugituta. Gainera, gai dira mendean duen materia horrek kontra egiten duen indarra neurtzeko. Horrenbestez, indarra eragiteko edo jasaten ari den indarra neurtzeko erabili zuten.

Esperimentuetako batean, pintza optikoaren eraginpean zegoen bolatxoa finko eutsita eta besteari mugitzen utzita neurtu ahal izan zuten zer abiaduratan sartzen duen motorrak DNA kapsidearen barrura.

Hurrengo esperimentu batean, benetako sokatiran aritu ziren. Bi bolatxoak geldi-geldirik jarrita, ATPa bota zuten, eta laserraren bidez neurtzen joan ziren zenbateko tentsioa sortzen zen DNA-molekulan, edo, beste modu batera esanda, zenbateko indarra egiten zuen motorrak DNA barrura sartzeko ahaleginean.