¿Cómo hace una bacteria para sobrevivir en condiciones extremas? Nuevos avances acerca de cómo un motor molecular regula la dirección de transporte del cromosoma.

Augusto Borges y Osvaldo Chara. SysBio, Instituto de Física de Líquidos y Sistemas Biológicos (CONICET, UNLP), La Plata, Argentina.

Las bacterias poseen la capacidad de intercambiar ADN como un mecanismo de adaptación y supervivencia. Para ello, se pueden valer de motores moleculares capaces de transportar ADN a través de membranas celulares a gran velocidad y con una dirección definida (i.e. la bacteria que posee el ADN debe asegurarse que la bacteria receptora reciba una copia completa de ADN una vez que el proceso se ha iniciado). Bacillus subtilis es una bacteria que, si las condiciones ambientales no fueran favorables, posee la asombrosa capacidad de crear una nueva versión de sí misma, capaz de sobrevivir durante decenas de años en un estado ‘durmiente’.

Para lograr esto, B. subtilis lleva adelante un proceso conocido como esporulación donde una copia completa del cromosoma bacteriano se transporta rápidamente hacia una célula hija. Esta célula hija (conocida como espora) posee un tamaño mucho menor que la célula madre y su contenido y membrana estarán adaptados para conferir resistencia a numerosas perturbaciones externas (tales como cambios de temperatura, deshidratación o radiaciones). Para garantizar que este proceso se lleve a cabo de manera exitosa, la bacteria emplea un motor molecular, la proteína SpoIIIE, capaz de transportar ADN usando la energía provista por la hidrólisis de ATP.


Descripción del video: Interacción del motor SpoIIIE con una molécula única de ADN  que contiene secuencias específicas (SRS) en presencia de ATP. Se muestra la dinámica de interacción y translocación de ADN predicha por un modelo matemático que asume que el motor SpoIIIE se une/desune del ADN y es capaz de  deslizarse mediante difusión y translocación a lo largo del ADN. La región coloreada en azul indica la posición de las secuencias específicas. En rojo y verde se observan eventos de translocación y unión-difusión. En blanco se muestran sitios del ADN no ocupados por el motor.


El mecanismo por el cual este motor logra unirse al cromosoma y desplazarlo en la dirección adecuada aún no había sido completamente elucidado. Pocos días atrás, publicamos un trabajo en Scientific Reports, en el que que descubrimos lo que creemos es un paso clave en el mecanismo subyacente al accionar del motor molecular SpoIIIE. Este trabajo es el fruto de una colaboración entre nuestro grupo de trabajo, SysBio, en el Instituto de Física de Líquidos y Sistemas Biológicos (CONICET, UNLP) en La Plata y el grupo de Marcelo Nöllmann, en el Centre de Biochimie Structurale (CNRS/INSERM/UM) Montpellier, Francia.

En un artículo previo publicado en EMBO Reports, esta colaboración nos permitió determinar que, en ausencia de ATP, el motor molecular SpoIIIE es capaz de explorar rápidamente largas regiones de ADN por un mecanismo de difusión lineal para encontrar secuencias específicas (llamadas SRS) que informan la dirección de transporte de ADN (i.e. secuencias que actúan como señales de tráfico e indican en qué dirección avanzar). Una vez que el motor se une a estas secuencias, el mecanismo que estabiliza esta interacción es regulado por la diferencia en la velocidad de disociación con respecto al ADN no específico.

En el nuevo trabajo publicado en Scientific Reports, investigamos si las secuencias específicas SRS regulan la dirección  de transporte del ADN al reclutar y orientar SpoIIIE o si simplemente catalizan su actividad de translocación. Para ello, empleamos técnicas de microscopía de fuerza atómica y ensayos de translocación de cinética rápida para determinar la localización y la dinámica de la difusión y la translocación de complejos SpoIIIE en el ADN, con o sin secuencias específicas SRS. Luego, combinamos nuestros resultados con modelos matemáticos para encontrar que SpoIIIE determina la dirección de transporte del ADN, a través de la regulación catalítica de su actividad motora. De este modo, SpoIIIE reconoce las secuencias específicas SRS que determinan la dirección de translocación y en ese caso su probabilidad de activación se ve incrementada varios órdenes de magnitud. Este simple mecanismo, combinado un mecanismo complementario basado en la exploración activa de ADN por SpoIIIE, sería suficiente para garantizar la direccionalidad de transporte de ADN in vivo durante la esporulación.

Entender cómo funcionan este tipo de motores moleculares puede tener repercusiones en distintas áreas de la biología, ya que estos motores pertenecen a una gran familia de proteínas que incluye translocasas y helicasas. Estas proteínas tienen papeles importantes, no solo en el transporte de ADN, sino también en la replicación, recombinación y reparación de ADN, regulación de expresión génica, maduración y transporte de ARN mensajero y muchos otros.


Descripción del video: Interacción del motor SpoIIIE con un ADN teniendo regiones específicas (SRS) en ausencia de ATP predichas por el modelo matemático mencionado en el video anterior. En el panel superior y medio, se muestran los motores uniéndose o deslizándose en el ADN en tiempo real y su acumulación, respectivamente. Se utilizan cinco ADNs representativos. El panel inferior muestra la frecuencia de motores unidos a la secuencia específica del ADN a medida que avanza el tiempo.


 

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