La tècnica de molècula individual permet explicar el comportament termodinàmic de sistemes complexos de biomolècules
La major part de les mesures termodinàmiques de reaccions dʼunió entre molècules es basa en la validesa de la llei dʼacció de masses i la suposició dʼuna solució diluïda. No obstant això, els sistemes biològics rellevants, com la unió al·lostèrica de lligand-receptor, lʼaglomeració macromolecular o el plegament anòmal de molècules, no compleixen aquestes suposicions i requereixen un model de reacció particular. Un equip dʼinvestigadors de la Universitat Barcelona ha utilitzat un model independent per determinar propietats termodinàmiques de sistemes complexos de biomolècules, com ara energies dʼunió, selectivitat química o al·losteritat —és a dir, capacitat dʼunió fora dels nuclis actius— dʼàcids nucleics i pèptids.
La major part de les mesures termodinàmiques de reaccions dʼunió entre molècules es basa en la validesa de la llei dʼacció de masses i la suposició dʼuna solució diluïda. No obstant això, els sistemes biològics rellevants, com la unió al·lostèrica de lligand-receptor, lʼaglomeració macromolecular o el plegament anòmal de molècules, no compleixen aquestes suposicions i requereixen un model de reacció particular. Un equip dʼinvestigadors de la Universitat Barcelona ha utilitzat un model independent per determinar propietats termodinàmiques de sistemes complexos de biomolècules, com ara energies dʼunió, selectivitat química o al·losteritat —és a dir, capacitat dʼunió fora dels nuclis actius— dʼàcids nucleics i pèptids.
El treball, publicat a la revista Science, sʼha dut a terme íntegrament a lʼSmall Biosystems Lab de la UB, laboratori dirigit per Fèlix Ritort, professor del Departament de Física de la Matèria Condensada de la Facultat de Física. També han participat en lʼestudi els investigadors Joan Camuñas i Anna Alemany, del mateix laboratori.
«Aquesta recerca ha permès estendre els teoremes de fluctuacions més enllà de les reaccions de plegament unimolecular, unint la termodinàmica dels sistemes petits i les lleis bàsiques de lʼequilibri químic. A més, es podria aplicar una aproximació similar a sistemes més complexos, com les interaccions RNA-proteïna i proteïna-proteïna», explica Fèlix Ritort.
Les energies dʼunió són valors clau per poder determinar el destí de les reaccions intermoleculars, i les tècniques de forces —com les pinces òptiques aplicades a molècules individuals— es poden utilitzar per estirar complexos individuals lligand-ADN, fet que permet detectar-ne els diferents punts dʼunió un per un.
«Aquí introduïm el teorema de fluctuació per a la unió de lligands (fluctuation theorem for ligand binding, FTLB), i dʼaquesta manera podem extreure directament energies dʼunió de reaccions biomoleculars o dʼordre superior a partir de la mesura del treball irreversible en experiments de tracció», explica Ritort.
La manipulació de molècules individuals és especialment adequada per observar estructures amb plegaments anòmals, però encara faltaven mètodes per caracteritzar aquest tipus de sistemes. Aplicant lʼFTLB, ha estat possible extreure informació dʼaquestes estructures no natives estabilitzades cinèticament.
«Utilitzant forquetes dʼADN amb dues zones dʼunió unides per quatre parells de bases, hem observat la formació dʼuna estructura plegada de manera anòmala que consisteix en dues pinces curtes en sèrie», apunta Ritort. Mitjançant sistemes biomoleculars diferents de complexitat creixent, els investigadors de la UB han proporcionat una verificació de molècula individual de la llei dʼacció de masses, i han constatat com lʼFTLB pot comptabilitzar lʼintercanvi de massa entre un sistema molecular i el seu entorn. «El teorema FTLB proporciona una mesura experimental directa de les energies dʼunió sense utilitzar cap model o esquema de la reacció, la qual cosa és especialment útil en casos en què la llei dʼacció de masses no funciona», conclou Ritort.
Referència de lʼarticle:
J. Camuñas-Soler, A. Alemany, F. Ritort. «Experimental measurement of binding energy, selectivity, and allostery using fluctuation theorems». Science, gener de 2017. DOI: 10.1126/science.aah4077