Plantas: La 'puerta' para la carga voluminosa

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Científicos del Institute of Science an Technology Austria ISTA revelaron nuevos detalles sobre cómo las proteínas grandes atraviesan las membranas celulares. Por mucho tiempo, una de las incógnitas de la biología celular fue cómo las proteínas grandes y completamente plegadas pueden atravesar las membranas celulares sin destruirlas.

Reconstrucción por crio-EM. Complejo Tat en diferentes orientaciones, con los componentes individuales mostrados en distintos colores. El fondo muestra una imagen de crio-EM sin procesar utilizada para calcular el mapa de densidad; en total, se analizaron aproximadamente 10 000 imágenes. Crédito y copyright: Ziyu Zhao y Leonid Sazanov/Molecular Cell

Mediante microscopía crioelectrónica (crio-EM), Leonid Sazanov y Ziyu Zhao, del Instituto de Ciencia y Tecnología de Austria (ISTA), descubrieron nuevos detalles sobre una “puerta” molecular. Sus hallazgos se publicaron en la revista Molecular Cell.

En la escuela, todos aprendimos el dogma central de la biología: el ADN produce ARN, y el ARN produce proteínas. Estas proteínas desempeñan innumerables funciones vitales en el cuerpo, pero para ello, a menudo necesitan desplazarse a otras partes de la célula y atravesar membranas.

El profesor Leonid Sazanov y el investigador postdoctoral Ziyu Zhao, del ISTA, han demostrado cómo el sistema Tat (translocasa de doble arginina) transporta proteínas voluminosas a través de las membranas.

El misterioso sistema Tat
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En el interior de cada célula hay muchas “habitaciones” u orgánulos, cada uno rodeado por su propia membrana. Para llegar a su destino, las proteínas a veces deben atravesar estas membranas.
En la mayoría de las células, esto suele ocurrir a través del sistema Sec, que arrastra las proteínas desplegadas a través de la membrana, como si se tratara de pasar una cuerda por un agujero.

La situación se complica mucho cuando una proteína ya está completamente plegada y aún necesita atravesar la membrana. En este caso, la carga es mucho más grande y voluminosa, por lo que no se puede simplemente pasar a través de ella.

En las bacterias y los cloroplastos (células vegetales conocidas como las “centrales energéticas de la fotosíntesis”), existe una solución especial a este problema: el sistema Tat. *Los científicos ya sabían que Escherichia coli consta de tres componentes básicos: TatA, TatB y TatC; sin embargo, su estructura exacta y su capacidad para transportar proteínas grandes a través de la membrana seguían siendo un misterio.

Sazanov y Zhao se propusieron visualizar esta “puerta” molecular y descubrir cómo logra transportar su voluminosa carga a través de la membrana sin sufrir daños.

Congelado para mayor claridad
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Para descubrir los detalles, Zhao aisló el complejo Tat in vivo, directamente de células vivas de Escherichia coli.

“No fue una tarea fácil, ya que el complejo proteico es muy inestable”, explicó Zhao. “Solo cuando coexpresé los componentes Tat y la proteína de carga en las bacterias, el complejo se volvió lo suficientemente estable como para poder aislarlo y visualizarlo mediante criomicroscopía electrónica”.

Cuanto más pequeña es la muestra, mayor es el microscopio. En la imagen vemos el Microscopio crioelectrónico en el Laboratorio de Microscopía Electrónica, una de las diez Unidades de Servicio Científico (USC) del campus de ISTA. Crédito y copyright: ISTA

El complejo Tat, con su carga unida, se aplicó a rejillas de microscopía electrónica y se sumergió rápidamente en criógeno. El enfriamiento rápido provoca la vitrificación del agua de la muestra, que adquiere una apariencia vítrea en lugar de formar cristales de hielo, preservando así los delicados detalles estructurales.

Finalmente, el sistema Tat fue analizado mediante microscopía crioelectrónica (crio-EM), una técnica que produce imágenes extremadamente detalladas de proteínas con una resolución de hasta 2-3 angstroms, necesaria para definir las estructuras atómicas.

Una mirada al interior de la “puerta”
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La reconstrucción tridimensional de los datos reveló una imagen sorprendente: el complejo Tat está formado por tres unidades TatB/C que flotan juntas dentro de la membrana. Según Sazanov, su forma es muy inusual.

“El complejo Tat parece un cuenco muy abierto con una base muy fina”, dijo el bioquímico.

Leonid Sazanov (izquierda) y Ziyu Zhao (derecha). Crédito y copyright: ISTA

Curiosamente y de forma inesperada, la carga interactúa con el recipiente en dos puntos específicos de las unidades TatB/C. Un punto reconoce el péptido señal de la carga y la ancla como si fuera un pegamento. El segundo punto parece funcionar como un punto de control, verificando que la carga esté correctamente plegada antes de que comience el transporte.

La reconstrucción reveló que el complejo Tat podría contener un poro en su base que puede abrirse y cerrarse. Según Sazanov y Zhao, este poro podría abrirse como una compuerta una vez que la carga se haya acoplado y superado la inspección, permitiéndole atravesar la membrana. El funcionamiento exacto de este proceso de apertura y cierre sigue siendo una incógnita y un tema central de la futura investigación de Zhao.

Un objetivo futuro para nuevos fármacos
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Dado que el sistema Tat no existe en los humanos, podría ser un objetivo potencial para intervenciones antimicrobianas. En las bacterias, este sistema es esencial para el metabolismo y la virulencia, es decir, su capacidad para causar infecciones. Cuanto más aprendamos sobre los componentes individuales del sistema Tat, más oportunidades surgirán para diseñar tratamientos que interrumpan selectivamente este proceso vital en las bacterias dañinas.

Ziyu Zhao (izquierda) y Leonid Sazanov (derecha) analizando los resultados de la investigación. Crédito y copyright: ISTA

Cita
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El estudio Structure of E. coli twin-arginine translocase (Tat) complex with bound cargo (Estructura del complejo de la translocasa de doble arginina (Tat) de E. coli con carga unida) fue publicado en la revista Molecular Cell. Autores: Ziyu Zhao y Leonid Sazanov

Financiación
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El proyecto contó con el apoyo del Instituto Austríaco de Ciencia y Tecnología (ISTA)
El artículo The “Gate” for Bulky Cargo fue publicado en la sección de novedades del Instituto de Ciencia y Tecnología de Austria (ISTA)