Aglomerația moleculară poate accelera reacțiile enzimatice, dar numai până la un punct
În interiorul celulelor, reacțiile biochimice nu se desfășoară într-un mediu uniform. Proteinele și alte molecule se grupează în compartimente fără membrană, creând microambiente dense și distincte. Cercetătorii de la Institutul de Știință și Tehnologie Okinawa (OIST), în colaborare cu Institutul Max Planck pentru Dinamica și Sisteme Auto-organizatoare (MPI-DS) și RIKEN, au studiat picături model bogate în proteine pentru a înțelege modul în care enzimele interacționează cu aceste medii aglomerate.
Studiul, publicat în Nature Communications, arată că aglomerarea proteică poate crește activitatea enzimatică, iar activitatea enzimatică crescută poate, la rândul ei, să intensifice curgerea lichidului. „Ceea ce este fascinant este că putem conecta interacțiunile dintre atomi individuali la mișcarea moleculelor într-o întreagă picătură. Evenimentele de la cele mai mici scări pot modela, și pot fi modelate de, comportamentul fizic al unui sistem mult mai mare”, explică autoarea senior Paola Laurino, profesoară care conduce Unitatea de Inginerie și Evoluție a Proteinelor la OIST.
Efectul aglomerării asupra activității catalitice
Într-o primă etapă, cercetătorii au creat picături minuscule conținând o proteină numită BSA, la concentrații variate, de la picături diluate până la picături puternic saturate cu BSA. Au adăugat apoi enzime — lactat dehidrogenaza (LDH) într-o serie de experimente și alcool dehidrogenaza (ADH) în alta — împreună cu substratele lor, pentru a observa cum aglomerarea afectează activitatea catalitică.
Rezultatele au arătat că, până la un anumit nivel, creșterea concentrației de BSA a stimulat activitatea enzimatică. Doar la niveluri foarte ridicate de BSA aglomerarea suplimentară a avut un efect dăunător, determinând scăderea activității enzimatice. „Această creștere inițială a activității enzimatice părea contraintuitivă, deoarece de obicei te-ai aștepta ca orice nivel de aglomerare să împiedice mișcarea enzimelor și a substraturilor și să crească vâscozitatea lichidului, încetinind astfel reacția încă de la început”, explică Laurino.
Simulările dezvăluie mecanismul structural
Pentru a înțelege de ce aglomerarea a crescut inițial, și nu a scăzut, activitatea enzimatică, cercetătorii de la RIKEN au folosit simulări computerizate pentru a examina modul în care structura enzimelor se modifică pe măsură ce mediul devine mai aglomerat. Ei au descoperit că, într-un mediu diluat, situsul activ al enzimei — partea în care substratele se leagă și reacționează — era deschis. Pe măsură ce mediul s-a umplut cu BSA, situsul activ al enzimei s-a închis.
„Când este închisă, bariera energetică necesară era mult mai scăzută, permițând reacției să aibă loc mai ușor”, explică Laurino. „Să detectezi o astfel de schimbare în aceste simulări de dinamică moleculară a fost cu adevărat surprinzător pentru noi.”
Enzimele active mobilizează mediul
În a doua parte a studiului, echipa a examinat modul în care activitatea enzimatică influențează dinamica fluidelor din picături. În experimente cu trasori fluorescenti, cercetătorii au constatat că enzimele active făceau atât proteinele BSA, cât și nanoparticulele fluorescente să se miște mai liber prin picăturile aglomerate. În schimb, picăturile care conțineau enzime inactive modificate erau mai vascoase, iar moleculele din interior se mișcau mai lent.
„În mod similar, am constatat că concentrații mai mari ale enzimelor sau ale substraturilor lor în picături au crescut și mobilitatea”, spune profesorul Ramin Golestanian, directorul departamentului de Fizica Materiei Vii la MPI-DS. Într-un model teoretic, cercetătorii de la MPI-DS au propus că activitatea enzimatică creează gradienți chimici în interiorul picăturilor, inducând curgeri minuscule. „Aceste curgeri permit moleculelor să se miște mai liber și să se amestece în picătură, evidențiind modul în care activitatea enzimatică poate duce potențial la efecte fizice la scări mai mari”, adaugă Golestanian.
Direcții viitoare de cercetare
În studii viitoare, Laurino plănuiește să examineze dacă aceste interacțiuni bidirecționale dintre enzime și mediul lor aglomerat se aplică și complexelor multienzimatice, unde multiple enzime se află în proximitate strânsă. Echipa sa intenționează de asemenea să realizeze experimente in vivo în celule bacteriene, pentru a determina dacă descoperirile se confirmă în condiții biologice mai complexe.
