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Científicos acorralan el funcionamiento de una bomba de protones clave gracias a una película de movimiento súper lento

Mediante el uso de nuevas herramientas, científicos del Centro RIKEN SPring-8, en Japón, y colaboradores han demostrado cómo la bacteriorodopsina, una "bomba de protones", utiliza la luz para transportar protones a través de la membrana celular para crear una diferencia de carga que se pueda utilizar para alimentar las actividades de una célula.
La bacteriorodopsina es una proteína que absorbe la luz y transporta protones a través de las membranas celulares, una función clave de los sistemas biológicos. Pero los científicos se han preguntado desde hace tiempo cómo lo hace y cómo puede llevar los protones en una sola dirección, desde el interior hasta el exterior de la célula.
Para averiguarlo, los científicos recurrieron a SACLA, un poderoso láser de rayos X que produce rayos un millón de veces más brillante que las instalaciones de sincrotrón convencionales. Estas radiografías se pueden utilizar para determinar la estructura de proteínas y otras moléculas que pasan a través del haz. Sin embargo, debido a que el haz es tan fuerte, vaporiza la muestra instantáneamente por lo que es importante obtener imágenes antes de que se destruya, un truco conocido como "difracción antes de la destrucción".
Para el presente estudio, el equipo empleó una técnica conocida como cristalografía de femtosegundos en serie resuelta en tiempo, con la cual tomaron miles de imágenes de bacteriorodopsinas en varios puntos de tiempo después de que impactó la luz basándose en un "método de sonda de bomba".
Poniendo todo esto junto, los investigadores fueron capaces de reconstruir la historia de cómo la proteína de membrana es capaz de mover los protones contra un gradiente en el entorno más cargado positivamente fuera de la célula, creando una carga como una batería que podría emplearse para impulsar reacciones químicas.
SE PONE FIN A UN DEBATE DE LARGA DURACIÓN
La primera autora del estudio, Eriko Nango, explica: "Con este trabajo, pudimos arrojar luz sobre el mecanismo de la transferencia de protones y poner fin a un debate de larga duración sobre el mecanismo. La fotoexcitación conduce a un cambio de conformación en la retina, la parte clave de la bacteriorodopsina que absorbe la luz, lo que a su vez provoca el desplazamiento de los residuos de aminoácidos por encima de la retina hacia el citoplasma y aparece un agua transitoria en ese espacio para ayudar a la transferencia primaria de protones. Siguiendo esto, una delicada cascada molecular impide que el protón se mueva hacia atrás, y es empujado hacia fuera fuera de la célula".
Estudios que utilizaron métodos anteriores habían identificado muchos de los pasos, pero debido a las sospechas de que la propia radiación podría estar causando cambios, era imposible demostrar de manera concluyente el mecanismo preciso. Con la nueva técnica, el grupo finalmente lo acorraló.
El director del estudio, So Iwata, señala: "Las nuevas técnicas que utilizan poderosos rayos X de rayos láser nos están dando una idea de cómo procesos como el bombeo de protones se producen en sistemas biológicos reales. Esto nos dará una mayor comprensión de estas acciones y, en última instancia, lleva a ideas para manipularlos más eficazmente".
El trabajo, publicado en Science, fue realizado por científicos de RIKEN en colaboración con investigadores de la Universidad de Gotemburgo, en Suecia; el Instituto de Biología Structural, el Instituto Paul Scherrer, la Universidad de Kyoto, la Universidad de Tokio y otros institutos.