Simulările pe supercomputer dezvăluie cum kinezina își dirijează pașii de-a lungul microtubulilor
Kinezina este un motor molecular responsabil pentru transportul încărcăturilor esențiale în interiorul celulelor, deplasându-se pas cu pas de-a lungul unor trasee filamentare numite microtubuli. Pentru a se mișca eficient și a nu se desprinde, cei doi „picioare” ai motorului trebuie să își coordoneze pașii într-o direcție precisă. Oamenii de știință știau că un segment de legătură numit regiune a gâtului este crucial pentru coordonarea acestei mișcări, însă structura sa tridimensională exactă și modul în care interacționează fizic cu microtubulul au rămas un mister din cauza limitărilor tehnicilor actuale de imagistică.
Pentru a depăși aceste limitări, o echipă de cercetători a construit un model la nivel atomic al motorului kinezinic pe un microtubul — un sistem de aproximativ 3 milioane de atomi — și i-a simulat dinamica pe supercomputerul Fugaku. Folosind o tehnică de eșantionare îmbunătățită numită generalized replica exchange with solute tempering (gREST) pe două modele independente de fizică computațională (câmpuri de forță), cercetătorii au mapat regiunea flexibilă a gâtului pentru a determina structura sa cea mai stabilă. Apoi au simulat mișcarea inițială de pășire a motorului folosind un model simplificat de detașare, în care subunitățile microtubulului subiacent au fost îndepărtate. Rezultatele sunt publicate în Biophysical Journal.
Simulările au relevat o structură de mare încredere a regiunii gâtului, demonstrând că spirala sa dublă răsucită (coiled coil) se află perpendicular pe microtubul și menține un contact apropiat cu suprafața traseului. La modelarea mișcării de pășire a motorului, cercetătorii au descoperit că interacțiunile fizice dintre gât și suprafața traseului influențează puternic traiectoria pasului. În loc să se deplaseze drept peste partea superioară a piciorului anterior, piciorul posterior se balansează în jurul părții drepte a piciorului din față, urmând o traiectorie în sens antiorar. Simulările au confirmat că această interacțiune specifică dintre gât și traseu este necesară pentru mișcarea înainte, întrucât configurațiile alternative ale gâtului, cu interacțiuni slabe cu traseul, nu au reușit să înainteze.
Aceste descoperiri explică modul în care kinezina își dirijează pașii la nivel atomic. Prin elucidarea modului în care elementele structurale locale reglementează direcția de mișcare, studiul oferă o bază vitală pentru avansarea înțelegerii transportului celular. Autorii notează, de asemenea, provocările viitoare ale studiului, care decurg din trei simplificări ale modelului actual: utilizarea unei construcții trunchiate de kinezină, îndepărtarea artificială a subunităților microtubulului pentru a declanșa un pas și omiterea elementelor structurale flexibile (E-hooks) de pe suprafața microtubulului. Studii viitoare care vor incorpora construcții complete de kinezină și elemente flexibile ale traseului vor rafina și mai mult acest cadru structural.
