Proteine-immagine credit public domain.
E’ noto come il dogma centrale della biologia: l’informazione genetica di tutti gli organismi viventi è immagazzinata nel DNA, che viene trascritto in RNA, che a sua volta viene tradotto in proteine che svolgono quasi tutte le funzioni essenziali di una cellula. Una minuscola macchina cellulare chiamata ribosoma sintetizza una proteina finché non riceve il segnale di fermarsi e la proteina viene rilasciata nella cellula attraverso una reazione con una molecola d’acqua.
Ma gli scienziati si interrogano da tempo su un dettaglio: se basta una molecola d’acqua per rilasciare la proteina finita, perché ciò non avviene per caso?
Ora i ricercatori dell’Università dell’Illinois a Chicago hanno scoperto il meccanismo chimico dettagliato alla base di questo processo. Lo studio, pubblicato su Science, contribuisce a rispondere a un interrogativo di lunga data in biologia e chiarisce come tutti gli organismi viventi eseguano la produzione di proteine, uno dei processi più essenziali per la vita.
Dal disco rigido alla stampante 3D
Il DNA è come un disco rigido che memorizza le informazioni genetiche di un organismo sotto forma di geni. Ogni gene contiene le istruzioni per produrre una specifica proteina e le proteine controllano la maggior parte delle funzioni cellulari, che si tratti della digestione intestinale, del trasporto di ossigeno nel sangue o della contrazione muscolare.
Ma le cellule non possono usare queste istruzioni direttamente. Per prima cosa, ne viene creata una copia sotto forma di RNA messaggero (mRNA). Poi il ribosoma legge quell’mRNA e assembla la proteina corrispondente legando gli amminoacidi in una sequenza precisa.
“Il processo di produzione delle proteine è assolutamente fondamentale per la vita”, ha affermato Yury Polikanov, Professore di scienze biologiche presso la Facoltà di Arti Liberali e Scienze dell’UIC e autore principale dello studio.
Nella cellula, il ribosoma e le proteine helper leggono il “linguaggio” dei nucleotidi nell’mRNA e lo traducono nel “linguaggio” degli amminoacidi in una proteina.
Il ribosoma smette di “stampare” una nuova proteina quando incontra un segnale speciale nell’mRNA, noto come codone di stop. A quel punto, una molecola helper dedicata, chiamata fattore di rilascio, entra nel ribosoma e innesca il rilascio della proteina finita dalla molecola carrier che la contiene, chiamata RNA di trasferimento (tRNA).
Questa fase finale prevede la rottura del legame tra la proteina finita e il tRNA tramite idrolisi, una reazione chimica con una molecola d’acqua.
“Sapere quando interrompere la “stampa” di una catena proteica è importante tanto quanto sapere quando iniziare”, ha affermato Polikanov.
“Il malfunzionamento di questo processo può portare a conseguenze piuttosto gravi, come la produzione di proteine difettose o pericolose”, ha affermato. “Ad esempio, mutazioni nei codoni di stop possono portare a patologie fatali come la fibrosi cistica o la distrofia muscolare di Duchenne“.
Ottenere il quadro completo
In precedenza, i ricercatori non riuscivano a capire esattamente cosa accadesse durante questo processo di rilascio con rottura del legame. “Se l’idrolisi richiede solo acqua, perché il legame non si rompe spontaneamente a causa di una molecola d’acqua casuale che rimbalza?”,
“Alcuni avevano ipotizzato che il fattore di rilascio presente nella molecola d’acqua fosse l’innesco della rottura. Tuttavia, questo passaggio è avvenuto troppo rapidamente perché gli scienziati potessero catturarlo e osservarlo. Qualsiasi tentativo di assemblare tutti i componenti in una provetta e congelare il ribosoma appena prima che la “stampa” si interrompesse avrebbe comportato il rilascio della proteina”, ha affermato Polikanov. “Fortunatamente, Polikanov e il suo laboratorio avevano un asso nella manica. Nel 2022, hanno sviluppato una tecnica per creare una molecola che imita il legame tRNA-proteina ma che non può essere spezzata da una molecola d’acqua: è “non idrolizzabile”.
Utilizzando l’imitazione non idrolizzabile, il team di Polikanov ha catturato istantanee dettagliate della reazione di rilascio della proteina a risoluzione quasi atomica con un metodo chiamato cristallografia a raggi X. Ciò che hanno scoperto ha cambiato la spiegazione ampiamente accettata dai libri di testo: non ci sono molecole d’acqua nel posto giusto per rompere il legame.
Invece, il fattore di rilascio fa sì che il tRNA cambi la sua forma quel tanto che basta per liberare il suo potenziale chimico nascosto. Una piccola parte del tRNA si allunga e rompe il legame, rilasciando la proteina finita dal ribosoma.
“In realtà è come se spingesse o desse un calcio al substrato, in modo che ne favorisca l’idrolisi“, ha spiegato Polikanov.
La scoperta spiega perché il fattore di rilascio è necessario per la terminazione. Questa piccola spinta assicura che le proteine non vengano rilasciate prematuramente e abbiano lunghezze strettamente definite dai geni corrispondenti.
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Il meccanismo di rilascio delle proteine scoperto dai ricercatori dell’UIC sembra essere presente in tutte le forme di vita, dai batteri agli esseri umani, ha affermato Polikanov. Evidenzia anche la precisione e l’eleganza del meccanismo cellulare.
“Abbiamo scoperto come funziona uno dei processi biologici più elementari”, ha affermato Polikanov. “Non si tratta solo del fattore di rilascio che apporta gli ingredienti giusti; riposiziona le parti esistenti in modo che il sistema possa completare il lavoro da solo”.
Tra gli altri coautori dell’UIC che hanno redatto l’articolo figurano Elena Aleksandrova ed Egor Syroegin.
Fonte: Science