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Los investigadores usan rayos X para decodificar partes complejas de la maquinaria celular, átomo por átomo

El núcleo de cada célula de nuestro cuerpo contiene muchas partes complejas. Uno de los más complejos se llama complejo de poro nuclear, o PNJ. Se compone de más de 1000 proteínas individuales y sirve como un guardián distintivo para el núcleo celular, la región unida a la membrana dentro de la célula que almacena su material genético. Cualquier cosa que entre o salga del núcleo debe pasar a través PNJ en su camino.

entender cómo PNJ el trabajo podría tener implicaciones importantes para la investigación en salud. No solo eso PNJ centro de operación celular, también está involucrado en diversas enfermedades. Mutaciones en PNJ responsable de algunos cánceres incurables, enfermedades neurodegenerativas y autoinmunes, como la esclerosis lateral amiotrófica (más conocida como enfermedad de Lou Gehrig, o ELA), y afecciones cardíacas, incluida la fibrilación auricular y la muerte cardíaca súbita prematura. Además, muchos virus, incluidos los responsables de COVID-19apuntar y matar PNJ durante su ciclo de vida.

Probamos todos los trucos de este libro para obtener esta estructura. Sin acceso a instalaciones de alta gama como APS, no podemos hacer esto. — André Hoelz, Caltech

André Hoelz, profesor de química y bioquímica en Caltech, becario de la escuela del Instituto Médico Howard Hughes e investigador del Instituto de Investigación Médica Heredado, ha pasado más de 20 años estudiando y elaborando la estructura y función de PNJHacer un uso extensivo de las fuentes de fotones avanzadas (APS), Departamento de Energía de EE. UU. (GAMA) Las instalaciones para usuarios de la Oficina de Ciencias están ubicadas en GAMALaboratorio Nacional de Argonne.

Ahora, en un par de artículos publicados en Science, nosotrosLa arquitectura de la cara citoplasmática del poro nuclear” y nosotrosLa arquitectura del andamio de conexión en el poro nuclear”, Hoelz y su equipo de investigación han revelado el resultado de su trabajo: un mapa estructural completo de la cara exterior PNJ y una comprensión más profunda de los mecanismos por los cuales las proteínas especializadas actúan como moléculas de pegamento para sostener PNJ juntos. Este resultado monumental es la culminación de casi 20 años de uso de rayos X ultrabrillantes para iluminar estructuras de edificios. PNJproteína tras proteína.

Un modelo molecular de la cara exterior del complejo del poro nuclear. (Imagen cortesía de Science.)

Durante gran parte de ese tiempo, Hoelz y sus colegas han utilizado General Medical Science y el Cancer Institute (GM/California) línea de haz de biología estructural en APS. Hoelz y su equipo determinaron su primera estructura en GM/California en 2008 y ha sido un habitual en Beamlines desde entonces.

personal en GM/California pronto nos dimos cuenta de que lo que estábamos haciendo no era solo una estructura, sino algo grande que requería un compromiso prolongado”, dijo Hoelz. nosotrosAdoptan los primeros avances que ayudan con muestras desafiantes. Probamos todos los trucos de este libro para obtener esta estructura. Sin acceso a instalaciones de alta gama como APSno podemos hacer esto”.

Los investigadores también aprovecharon la línea de luz del Equipo de Acceso Colaborativo del Noreste al comienzo de su investigación. También utilizaron la fuente de luz de radiación sincronizada de Stanford en GAMA‘s SLAC Laboratorio Nacional de Aceleradores y Fuente de Luz Sincronizada Nacional Yo en GAMALaboratorio Nacional de Brookhaven.

Muy pequeña 3D rompecabezas

Tiempo PNJ generalmente se puede considerar similar a una puerta, a diferencia de las que encontrará en su vida diaria. Además de parecer una dona con patas de araña, PNJ no tanto abrirse y cerrarse como expandirse y contraerse.

Es un poco como un hangar de aviones donde puedes arreglar un 747, y la puerta se abre para dejar entrar al 747, pero hay alguien parado allí que puede evitar que una canica se escape cuando se abre la puerta”, dijo Hoelz.

Para mapear la estructura de esta máquina compleja, Hoelz y sus colegas tuvieron que resolver ecuaciones muy pequeñas. 3D rompecabezas, utilizando microscopía electrónica y cristalografía de rayos X en cada pieza del rompecabezas. Comienzan por hacer crecer las proteínas que componen el PNJ, luego pruébelos en parejas para ver cuáles coinciden. Si se encontraran dos piezas del rompecabezas que coincidieran entre sí, los investigadores probarían las proteínas ahora combinadas contra una tercera hasta encontrar la siguiente pieza, y así sucesivamente.

Trabajar a través de la proteína de esta manera eventualmente resultó en el resultado final de su primer artículo: una rebanada de 16 proteínas repetida ocho veces alrededor de la cara. PNJ como rebanadas de pizza.

Estos resultados complementan la investigación realizada por Martin Beck del Instituto Max Planck de Biofísica en Frankfurt, Alemania, cuyo equipo produjo un mapa que proporcionó los contornos del rompecabezas donde los investigadores colocaron las piezas. Para acelerar la finalización de los rompecabezas humanos. PNJ estructura, Hoelz y Beck intercambiaron datos hace más de dos años, y luego construyeron de forma independiente la estructura general PNJ.

El mapa de Beck sustancialmente mejorado muestra mucho más claramente dónde cada parte del PNJ – del cual determinamos la estructura atómica – tenía que ser localizado”, dijo Hoelz. nosotrosEs muy parecido al marco de madera que define los bordes de un rompecabezas. ”

El equipo usó un proceso similar para determinar la estructura completa de lo que se conoce como PNJandamio de enlazador. Es un conjunto de proteínas que ayudan a resistir PNJ juntos al mismo tiempo que proporcionan la flexibilidad necesaria para abrir y cerrar, y ajustarse para adaptarse a las moléculas que pasan a través de ellos.

Hoelz iguala PNJ por algo que está construido con piezas de Lego, pero que no siempre se bloquea. En cambio, están atados con bandas elásticas que los mantienen en su lugar mientras les permiten moverse un poco.

Llamo a este trozo de pegamento sin estructura nosotrosporos de materia oscura’”, dijo Hoelz. nosotrosEsta elegante variedad de fideos espagueti lo reúne todo. ”

Los rayos X iluminan el camino

En APS, Hoelz y su equipo utilizaron una técnica llamada cristalografía de rayos X para determinar docenas de estas estructuras. Esta técnica consiste en hacer crecer cristales de proteína y luego iluminar los cristales con una luz brillante de rayos X. Cuando la luz se difracta o se dispersa en diferentes direcciones, los detectores registran la posición y la intensidad de la luz y, a partir de esos datos, los científicos pueden recopilar información importante sobre los átomos que componen las proteínas.

Hoelz comenzó a trabajar en GM/California en 2008, se conectó con Bob Fischetti de Argonne, líder de grupo y asesor de ciencias de la vida para APS Director. Una de las características de la línea de luz que hace posible el trabajo de Hoelz es la capacidad de cambiar el tamaño del haz de rayos X, hasta un punto muy pequeño. Esto le permite a Hoelz trabajar con cristales más pequeños, o cristales que no se difractan tan bien como otros, dijo.

Si tiene un cristal grande que se difracta bien, es mejor iluminar todo el cristal”, dice Fischetti. nosotrosPero si tiene uno más pequeño o uno más grande que no se difracta bien, puede usar el haz más pequeño para encontrar la parte del cristal que le dará los datos que necesita”.

Fischetti y el equipo ganan R&Galardonado con el D 100 en 2010 por diseñar un sistema que permite a los científicos elegir el tamaño del haz de rayos X. Llamó al trabajo de Hoelz. nosotrosfenomenal”, señalando que debido a su persistencia, ahora tenemos una imagen clara de una de las estructuras más grandes de las células humanas.

Nuestro trabajo en GM/California no sería posible sin las personas que hacen esto día tras día”, dijo Hoelz. nosotrosIntentan ayudarte en todo lo posible, y eso es lo importante. Las personas que trabajan allí son científicos altamente capacitados y son los héroes anónimos de todas las investigaciones que se realizan allí”.

Construyendo un gran salto adelante

En conjunto, los hallazgos de los dos artículos representan un avance en la comprensión científica de cómo PNJ construido y cómo funciona. Christopher Bley de Caltech, becario postdoctoral senior en investigación química y autor de ambos artículos, dijo que los hallazgos del equipo abren la puerta a más investigaciones.

Estamos construyendo un marco dentro del cual ahora se puede llevar a cabo una gran cantidad de experimentación”, dijo Bley. nosotrosTenemos esta estructura compuesta ahora, y permite e informa futuros experimentos sobre PNJ función o incluso enfermedad. Hay muchas mutaciones en PNJ asociado con una terrible enfermedad. Saber dónde están en la estructura y cómo se juntan puede ayudar a diseñar el próximo conjunto de experimentos para tratar de responder a la pregunta de qué hacen estas mutaciones”.

Hoelz también lo ve como evidencia del valor de la investigación empírica en biología estructural. Si bien las predicciones pueden ayudar, dice, no hay sustituto para hacer el trabajo y definir la estructura.

No hay ambigüedad cuando la estructura se determina experimentalmente”, dijo. nosotrosSon datos duros. Certeza es certeza”.

Los dos artículos se publican en la edición de Science del 10 de junio de 2022. Además de Hoelz y Bley, los autores incluyen a Stefan Petrovic de Caltech, Si Nie, George W. Mobbs, Xiaoyu Liu, Anna T. Gres, Dipanjan Samanta, Thibaud Perriches , Karsten Thierbach, Bonnie Brown, Taylor A. Stevens, Sho Harvey, Ferdinand M. Huber, Daniel H. Lin, Aaron W. Tang, Emily J. Rundlet, Ana R. Correia y Alina Patke; Somnath Mukherjee y Anthony A. Kossiakoff de la Universidad de Chicago; Shane Chen, Saroj G. Regmi y Mary Dasso de los Institutos Nacionales de Salud; y Alexander F. Palazzo de la Universidad de Toronto.

Esta versión de lanzamiento fue publicada originalmente por Caltech.

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