Mekanistiska studier av operativa proteiner för DNA-rekombination och ATP-syntes

Forskningsprojekt, 2012 – 2014

Vårt projekt innebär en mycket stor utmaning, som att ta ner månen kan det tyckas, men med hyfsad prognos för framgång tack vare en rad upptäckter och metoder som vi och andra nyligen bidragit med. Vi vill förstå de grundläggande mekanismerna hos livets maskiner, närmare bestämt tre maskiner uppbyggda genom löst sammansatta aggregat av proteiner: RecA, Rad51 respektive ATPsyntas. De tre proteinsystemen är nära besläktade, och proteinerna har sannolikt gemensamt ursprung i tidernas begynnelse, men de tre maskiner de ingår i uträttar helt olika saker, alla på basal nivå livsviktiga för levande organismer, från bakterier och växter till människa. Den första maskinen (ATPsyntas) tillverkar cellens energivaluta (ATP) på mekanisk väg ur "förbränningsprodukterna" ADP och fosfat, ungefär som om man genom att driva en bensinmotor baklänges skulle kunna framställa bensin från koldioxid och vatten. Maskinen består av en krans av proteiner omgivande en spiralformad "vevaxel". Det energifattiga ADP binder sig i en klyfta i proteinet och förenas där med fosfat till ATP som emellertid då kommer att sitta mycket hårt bundet i klyftan, och därmed vara energifattigt. Det är först när vevaxeln roterar och med kraft puttar ut ATP-molekylen som den obundna, energirika formen av ATP uppstår. I den andra maskinen (RecA) sätter sig proteinerna också runt en spiral, nämligen en DNA-sträng, och när en annan, dubbelsträngad DNA-molekyl kommer in jämför maskinen sekvenserna mellan de två DNA-molekylerna och om de är någorlunda lika utför den en kirurgisk operation: ett strängutbyte. På detta sätt sker genutbyte, vilket exempelvis bakterier utnyttjar för att snabbt mutera: generna hoppar runt. Bakterierna muterar ständigt för att anpassa sig efter nya betingelser (till exempel för att bli resistenta mot ett visst antibiotikum): därför är bakteriernas RecA väldigt effektivt. Den tredje maskinen (Rad51) gör ungefär samma sak som RecA fast hos människa. Den står bl a för genutbytet mellan mammans och pappans DNA i ett embryo samt för diverse reparationsarbete på trasigt DNA hos vuxen människa. Men eftersom vi inte muterar som bakterier fungerar vår maskin, tror vi, på ett annat sätt. Rad51 spelar en central roll i "gen-korrektionsterapi" - en strategi för att rätta till fel i våra gener - något som länge bara varit science fiction men som nyligen visat sig möjligt att genomföra och som t o m har tillämpats kliniskt för att bota vissa sjukdomar. För att förstå hur maskinerna fungerar måste vi studera dem i alla detaljer såväl i vila som under gång, d v s både proteinernas strukturer, hur de är hopfogade, var ATP/ADP sitter, men även hur de olika maskindelarna rör sig i förhållande till varandra, hur krafterna överförs både över stora avstånd (när vevaxeln respektive DNA rör på sig innanför proteinkransen) och på lokal nivå (hur atomerna flyttar på sig när ADP ska bli ATP eller vice versa). Att förstå det senare kräver avancerad molekyldynamisk modellering kombinerad med kvantmekaniska beräkningar. De större och långsammare rörelserna behöver andra teoretiska och experimentella metoder för att studeras, vissa har vi ännu inte utvecklat. Varför är det då så viktigt att förstå hur dessa maskiner fungerar? Jo, för att de representerar de centrala mekanismerna i biologiska system som gör att energi kan omvandlas till andra energiformer och till ordnade strukturer, som kan uträtta arbete av olika slag, kort sagt de representerar fundamentet för liv.

Deltagare

Finansiering

Mer information

Senast uppdaterat