Nuevo tipo de fricción descubierta en sistemas ligando-proteína

Un equipo de investigación interdisciplinario de los Institutos de Química Física y Física de la Universidad de Friburgo y el Instituto Max Planck de Biofísica en Frankfurt-am-Main ha descubierto una nueva fricción dependiente de la dirección en proteínas llamada fricción anisotrópica.

“Hasta ahora, nadie había observado que la fricción en las biomoléculas dependiera de la dirección”, dice el físico Dr. Steffen Wolf de la Universidad de Friburgo. Los resultados han sido publicados en Nano letras.

Experimentos en complejo modelo de proteína-ligandos

Las proteínas constituyen la maquinaria microscópica de las células. Realizan trabajo durante sus ciclos funcionales. En consecuencia, siguen las leyes de la termodinámica, exhiben una eficiencia de conversión de energía y pierden energía durante su ciclo funcional debido a la disipación. Desde una perspectiva macroscópica, este último efecto corresponde a una fricción aparente.

En la escala microscópica de proteínas individuales, una fuente conocida de fricción es la fricción interna de las proteínas que resulta de la excitación de las vibraciones internas de las proteínas. Otra fuente es la fricción del disolvente, que surge de la aceleración de las moléculas de disolvente circundantes. Estas fuentes de fricción provocan el calentamiento tanto de la proteína como del disolvente. Aquí, los investigadores descubrieron el nuevo tipo de fricción mediante la realización de experimentos y simulaciones de una sola molécula en un complejo modelo de una proteína y un ligando.

En sus experimentos de molécula única, el equipo utilizó un nuevo método aplicando espectroscopia de fuerza de molécula única estereográfica, que se basa en la microscopía de fuerza atómica (AFM). Esta técnica les permitió estudiar la separación de un ligando de una proteína unida a una superficie no solo a lo largo de una sola coordenada, sino a lo largo de las tres coordenadas cartesianas.

Durante sus experimentos, el Dr. Wanhao Cai, el Prof. Dr. Thorsten Hugel y el Dr. Bizan N. Balzer del Instituto de Química Física de la Universidad de Friburgo, así como el Dr. Jakob T. Bullerjahn del Instituto Max Planck, hicieron la sorprendente descubrimiento de que la fricción durante la desunión del ligando aumenta con el ángulo de tracción aplicado.

Combinación de experimentos y simulaciones por computadora

Miriam Jäger y el Dr. Steffen Wolf del Instituto de Física de la Universidad de Freiburg recrearon posteriormente el experimento utilizando simulaciones por computadora. Utilizaron los recursos informáticos de alto rendimiento (HPC) del BinAC-HPC-Cluster en Tübingen. Durante las simulaciones, determinaron que el trabajo de separar un ligando de su sitio de unión depende de la dirección exacta de aplicación de la fuerza de tracción.

Al combinar los resultados del experimento y las simulaciones, los investigadores reconocieron que la fuente de la fricción dependiente del ángulo es la orientación aleatoria e indefinible de las proteínas a lo largo de sus ejes de rotación unidos a la superficie en el experimento. El equipo repitió los experimentos de extracción de una sola molécula uniendo y desvinculando un ligando hacia y desde una proteína muchas veces para lograr resultados estadísticamente significativos.

Allí, el ligando se une a una proteína diferente para cada medida. En consecuencia, en cada medición, un ligando se tiró en el mismo ángulo con respecto a la superficie, pero sobre diferentes regiones de la proteína orientada al azar. Esta orientación no se puede definir, tanto en la configuración experimental como en el mundo real, y cada medición no se puede repetir de forma exacta y reversible. Por lo tanto, cada vez se depositaron diferentes cantidades de energía en la biomolécula.

La parte irreversible de esta energía se perdió como calor en el sistema. El efecto correspondiente es una fuente de fricción, que los investigadores llaman fricción anisotrópica.

Un tipo fundamental de fricción.

“Suponemos que este tipo de fricción fundamental y previamente desconocido está presente en cada bioensamblaje en el que aparece la aleatoriedad en la orientación de las proteínas junto con la direccionalidad de la aplicación de la fuerza”, dice el Dr. Bizan N. Balzer, biofísico. Explica que este es el caso de los motores biomoleculares o las proteínas de membrana sensibles a la fuerza, así como de procesos como el flujo sanguíneo, donde se ejercen fuerzas sobre proteínas orientadas al azar.

Balzer concluye: “La fricción anisotrópica es, por lo tanto, otra pieza importante del rompecabezas para comprender la fricción tanto en aplicaciones técnicas como en complejos biológicos en general”.