12 de febrero de 2021 (Noticias de Nanowerk) Las proteínas motoras generan las fuerzas para procesos mecánicos esenciales en nuestro cuerpo. En una escala de nanómetros, una millonésima de milímetro, las proteínas motoras, por ejemplo, dan energía a nuestros músculos o transportan material dentro de nuestras células. Erik Schäffer puede hacer visibles estos movimientos, invisibles a simple vista: el profesor de Nanociencia Celular de la Universidad de Tübingen desarrolla microscopios de fuerza especial, las llamadas pinzas ópticas, para medir cómo funcionan mecánicamente estas máquinas moleculares. Su equipo en el Centro de Biología Molecular Vegetal ahora ha mejorado la tecnología. Sondas especiales, nanoesferas de germanio, permiten una mayor resolución de los desplazamientos y fuerzas que generan los motores. Los resultados se han publicado en la revista Ciencia: ("Nanoesferas de germanio para la picotensiometría de ultraresolución de motores de kinesina").
Mecanismo paso a paso de kinesina rotacional mano sobre mano con subpasos. (Animación: Janet Iwasa)
Con un tamaño de solo 60 nanómetros, las proteínas motoras estudiadas son realmente pequeñas, pero esenciales para los procesos celulares. Entre otras cosas, ayudan a separar mecánicamente los cromosomas durante la división celular, o transportan pequeños "paquetes", los llamados vesículas, dentro de las células. Los motores disfuncionales, por ejemplo en las células nerviosas, pueden conducir a enfermedades neurológicas como el Alzheimer. Para descubrir cómo funcionan las proteínas motoras, el biofísico Erik Schäffer desarrolló unas pinzas ópticas ultraprecisas. Se basan en principios ya descubiertos por el astrónomo Johannes Kepler en 1609. Por su invención, el físico Arthur Ashkin recibió el Premio Nobel en 2018. Las pinzas ópticas aprovechan la presión de radiación de la luz láser para mantener sin contacto partículas diminutas en su lugar. Con esta herramienta, Schäffer ha podido demostrar hace unos años que la proteína motora kinesina gira al caminar: con dos "pies", se necesitan pasos de ocho nanómetros dando media vuelta cada vez, casi como si se estuviera ejecutando un vals vienés. . Swathi Sudhakar, estudiante de doctorado de Schäffer, ha perfeccionado aún más la tecnología de las pinzas ópticas. Usando nanoesferas de germanio, sondas mucho más pequeñas y de mayor resolución, todavía se pueden contrarrestar las fuerzas inimaginablemente diminutas de cinco piconewton de los motores biológicos. Esto significa que los investigadores ahora pueden medir incluso los movimientos más pequeños y rápidos que hasta ahora estaban ocultos en la tormenta del movimiento térmico desigual inherente a las partículas pequeñas. Con la nueva tecnología, los investigadores pudieron rastrear la kinesina en tiempo real, y Sudhakar detectó otro paso intermedio en su locomoción, haciendo que el vals fuera casi perfecto. “La existencia de este paso intermedio se ha debatido entre los científicos durante 20 años”, dice Schäffer. "Pudimos medir esto directamente por primera vez usando pinzas ópticas". Además, las nanoesferas revelaron un mecanismo de deslizamiento del motor previamente desconocido. “Es una especie de correa de seguridad que mantiene el motor en marcha si la carga es demasiado alta”, dice Schäffer. Este mecanismo explica la alta eficiencia del transporte de vesículas en las células, agrega. "Si conocemos en detalle cómo funcionan los motores de kinesina, también podremos comprender mejor los procesos celulares vitales que impulsan los motores, así como los fallos de funcionamiento que pueden provocar enfermedades". Schäffer compara la nueva tecnología con "echar un buen vistazo bajo el capó" de las máquinas moleculares. Dice que ahora, los investigadores no solo pueden observar con precisión los movimientos individuales de las máquinas moleculares; también pueden comprender mejor, por ejemplo, cómo las proteínas se pliegan en su estructura correcta. “Como semiconductores, las nanoesferas tienen excitantes propiedades ópticas y eléctricas adicionales. Por lo tanto, podrían ser útiles en otras áreas de la nanociencia y la ciencia de los materiales, por ejemplo, para mejorar las baterías de iones de litio ”, dice Schäffer.
