Nanomecánica de proteínas en otros sistemas biológicos: el celulosoma.

Nanomecánica de proteínas en otros sistemas biológicos: el celulosoma.

 

EL CELULOSOMA COMO NANOCATALIZADOR EFICIENTE. HIPÓTESIS MECÁNICA DEL CELULOSOMA.

Los procesos biológicos están basados en un mundo a escala nanométrica que implica principalmente las proteínas (biomoléculas codificadas a partir de la información contenida en el ADN) las cuales se unen y reconocen a otras moléculas. Muchos procesos biológicos complejos están catalizados por series de proteínas autoensambladas en un patrón coordinado. Para conseguir esta finalidad, los organismos han desarrollado proteínas de andamiaje que anclan las correspondientes enzimas en fase sólida de manera que pueden coordinar sus actividades catalíticas espacio-temporalmente. En particular, la proteína escafoldina coordina a una serie de enzimas que degradan polisacáridos estructurales generando complejos altamente polimórficos denominados genéricamente celulosomas. Esta proteína está formada por módulos de cohesina cuya función es la unión a módulos de dockerina presentes en unidades catalíticas u otras escafoldinas. Estos complejos multienzimáticos han demostrado ser mucho más eficientes en la degradación de los polisacáridos de la pared celular vegetal que la suma de sus componentes enzimáticos de manera individual.

 

Diseño de un celulosoma natural: Una de las muchas arquitecturas del celulosoma, complejo enzimático autoensamblado, que evolucionaron hacia una más eficiente degradación de la lignocelulosa. CBM: módulo de unión a carbohidratos.

 

 

 

La base de un diseño racional del celulosoma es el conocimiento profundo del diseño de los celulosomas naturales. Es evidente que dicho diseño requiere una comprensión de las propiedades moleculares que rigen el autoensamblaje de los componentes del celulosoma y su comportamiento catalítico. Toda la organización del complejo celulosomal está basada en interacciones específicas no-covalentes jerarquizadas entre los componentes a ensamblar. Como ya se ha mencionado, entre ellos destaca la proteína escafoldina que forma la base estructural de estas nanomáquinas extracelulares, ofreciendo  una plataforma multivalente formada por módulos idénticos de anclaje (los módulos cohesina). Este diseño estructural se ha mantenido en una gran variedad de bacterias, permitiendo a las mismas el desarrollo de una gran variedad de diferentes arquitecturas. Más aún, esta estrategia ofrece una oportunidad única de adaptación en su composición a variaciones en los tipos de nutrientes según las diferentes restricciones ambientales (composición y disposición del sustrato lignocelulósico,  estrés mecánico, temperatura, pH y concentración de iones). Esta estrategia asegura una presencia de módulos de anclaje y módulos catalíticos con gran variedad de estabilidades y condiciones de trabajo disponible para ser usada en el objetivo mayor del proyecto: la producción de celulosomas de diseño. Todos los componentes candidatos se identificarán de acuerdo a su estabilidad (mecánica y termodinámica) y su rango de operación de forma que obtengamos un celulosoma de diseño óptimo, adaptado a los sustratos seleccionados.

Las afinidades entre los componentes del celulosoma son extraordinariamente altas.  Es por ello, que las técnicas bioquímicas convencionales basadas ensayos de equilibrio de “binding” o unión son muy limitadas para su estudio y no proporcionan datos cinéticos. Por ello se propone el uso de técnicas de espectroscopía combinadas con análisis in silico para elucidar la estructura molecular en la cual están basadas estas afinidades extraordinariamente altas, y usar esta información para afinar el diseño de un celulosoma adecuado. En nuestros trabajos previos hemos demostrado, mediante técnicas de espectroscopía de fuerza de una molécula individual (SMFS, del inglésSingle-Molecule Force Spectroscopy) basadas en el microscopio de fuerza atómica (AFM, del inglés Atomic Force Microscopy), la existencia varias líneas de evidencia que indican que el celulosoma es una estructura cuyos componentes y puntos de anclaje que se suponen sometidos a estrés mecánico poseen una gran resistencia mecánica lo que sugiere el papel fundamental de la mecanoestabilidad en la función de este complejo. Otros trabajos han demostrado que AFM-SMFS es la única técnica que permite medir el rango de estas fuerzas moleculares (por ejemplo, el complejo dockerina/cohesina en el celulosoma de Clostridium thermocellum) presente en este tipo de interacciones, que es superior a 200 pN medidas usando tasas de carga habituales (1nN/s).

 

Más información en el proyecto europeo CellulosomePlus, Area NMP.2013.1-12. EU 7FP. Grant agreement 604530.

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