Kansainvälinen tiimi käytti kryoelektronimikroskopiaa tarkkaillakseen helikaasia, entsyymiä, joka on välttämätön DNA:n replikaatiossa. Nämä tutkimukset paljastavat mekanismin, joka on paljon hienovaraisempi kuin aiemmin kuviteltu, ja sillä on mahdollisia vaikutuksia virusinfektioiden ja syöpien hoitoon.
Helikaasin ainutlaatuinen toiminta
Aikaisemmista oletuksista poiketen helikaasi ei erota DNA-säikeitä välittömästi. Se toimii enemmänkin kuuden sylinterin molekyylimoottorina, joka kuluttaa ATP:tä vähentääkseen vähitellen säikeiden välistä jännitettä.
Tämä mekanismi mahdollistaa DNA:n luonnollisen purkautumisen, joka on verrattavissa puristetun jousen vapautumiseen. Tutkijat ovat myös havainneet, että kaksi helikaasia tekevät yhteistyötä muodostaakseen "replikaatioväyliä", varmistaen molempien säikeiden samanaikaisen kopioinnin.
Tutkimus osoittaa, että tämä prosessi on universaali, viruksista ihmisiin. Tämä evolutiivinen säilyminen viittaa siihen, että virushelikaasin erityinen estäminen voisi olla lupaava antiviraalistrategia, erityisesti syöpää aiheuttavia papillomaviruksia vastaan.
Lääketieteelliset ja teknologiset sovellukset
Virusten, kuten isorokon tai joidenkin syöpien helikaasit, hyödyntävät samaa mekanismia kuin ihmisten solujen helikaasit. Kohdistamalla tarkasti niiden toimintaa voitaisiin kehittää hoitoja, jotka estävät niiden replikaation vaikuttamatta terveeseen DNA:han.
Lääketieteen lisäksi tämä löytö inspiroi synteettisten nanokoneiden suunnittelua. Niiden energiatehokkuus, joka perustuu samankaltaisiin periaatteisiin, voisi mullistaa molekyylitason teknologiat.
Kryoelektronimikroskopian ansiosta tämä tutkimus merkitsee avainvaihetta rakenteellisessa biologiassa. Se osoittaa, kuinka huipputeknologiset työkalut mahdollistavat nyt soluprosessien visualisoinnin ennennäkemättömällä tarkkuudella.
Lisätietoja: Kuinka ATP ruokkii molekyylikoneita?
Adenosiinitrifosfaatti (ATP) toimii solujen "energian valuuttana". Sen kemiallinen rakenne sisältää energiaa rikkaita fosfaattikytkentöjä, jotka vapauttavat noin 7,3 kcal/mol, kun ne katkeavat. Tätä energiaa käyttävät moottoriproteiinit, kuten helikaasit, suorittaakseen mekaanista työtä nanomittakaavassa.
Kun ATP sitoutuu helikaasiin, se aiheuttaa entsyymin konformaatiomuutoksen. Tämä liike voimistuu ATP:n hydrolyysin myötä ADP:ksi (adenosiinidifosfaatti), joka vapauttaa epäorgaanisen fosfaatin. Jokainen ATP:n sitoutumis-/hydrolyysi-/irtoamissyklissä vie helikaasia "askeleen" eteenpäin DNA:ssa, kuin molekyylipistoni.
Tämä mekanismi on huomattavan tehokas: yksi ATP-molekyyli voi erottaa 1–2 DNA:n emäsparia. Helikaasin kuusi alayksikköä toimivat koordinoidusti, luoden pyörivän liikkeen, joka muistuttaa sisäkäyttöisen moottorin toimintaa, mutta atomitarkkuudella.
Biophysikaaliset tutkimukset osoittavat, että tämä järjestelmä muuntaa noin 50 % kemiallisesta energiasta mekaaniseksi työksi – tehokkuus, joka on paljon suurempi kuin makroskooppisten moottoreiden. Tämä suorituskyky selittää, miksi tämä mekanismi on säilynyt evoluution myötä bakteereista ihmisiin.