Αναγνωρίστηκε η δομή ενός μοριακού γίγαντα

Το πληρέστερο μέχρι τώρα μοντέλο του μεγαλύτερου μοριακού συμπλόκου, του πυρηνικού πόρου του πυρήνα ανθρώπινου κυττάρου δόθηκε στη δημοσιότητα. Πειραματικές και υπολογιστικές τεχνικές βοήθησαν τους επιστήμονες να καταλάβουν την αρχιτεκτονική του με μεγαλύτερη λεπτομέρεια από ποτέ.

Ο πυρήνας του ευκαρυωτικού κυττάρου προστατεύει το γονιδίωμα και περιβάλλεται από διπλή μεμβράνη (πυρηνικός φάκελος), η οποία τον διαχωρίζει από το κυτταρόπλασμα. Οι πυρηνικοί πόροι ή σύμπλοκα πυρηνικών πόρων (nuclear pore complex, NPC) διατρυπούν το πυρηνικό περίβλημα για να διευκολύνουν τη μεταφορά πυρηνοκυττάρων.

Ο πυρηνικός πόρος είναι ένας πραγματικός μοριακός γίγαντας με βάρος ~120 MDa (megadalton)-το οποίο στην κυτταρική κλίμακα είναι τεράστιο- που έχει σχήμα ντόνατ και λειτουργεί τόσο ως πύλη όσο και ως σημείο ελέγχου των μορίων που διακινούνται μεταξύ του κυτταροπλάσματος και του πυρήνα. Το σύμπλοκο πυρηνικού πόρου του ανθρώπινου κυττάρου είναι ένα από τα μεγαλύτερα πρωτεϊνικά σύμπλοκα. Οι ~ 1000 πρωτεΐνες λαμβάνονται σε πολλαπλά αντίγραφα από ένα σύνολο περίπου 30 διακριτών νουκλεοπορινών (NUPs), κάνοντας το σύμπλοκο να μοιάζει για τους δομικούς βιολόγους, σαν ένα προκλητικό αλλά συναρπαστικό τρισδιάστατο παζλ.

Η δομή του πυρηνικού πόρου, το πώς είναι συνδεδεμένες οι πρωτεΐνες του μεταξύ τους, το πώς προσκολλάται στην πυρηνική μεμβράνη και άλλες ερωτήσεις απασχολούν διαχρονικά τους επιστήμονες, οι οποίοι φαίνεται πως βρήκαν τελικά τις απαντήσεις. Συγκεκριμένα ερευνητές από το Kosinski Group στο EMBL (European Molecular Biology Lab) στο Αμβούργο, από το Centre for Structural Systems Biology (Κέντρο Βιολογίας Δομικών Συστημάτων) και από τα εργαστήρια Beck and Hummer στο Ινστιτούτο Βιοφυσικής Max Planck κατάφεραν να δημιουργήσουν το πιο ολοκληρωμένο μοντέλο του πυρηνικού πόρου του πυρήνα ανθρώπινου κυττάρου μέχρι σήμερα, συνδυάζοντας το πρόγραμμα πρόβλεψης πρωτεϊνικής δομής AlphaFold2 της DeepMind με τεχνικές όπως κρυο-ηλεκτρονική τομογραφία, κρυο-ηλεκτρονική μικροσκοπία μεμονωμένων σωματιδίων και μοντελοποίηση.

Να θυμίσουμε ότι εδώ και αρκετά χρόνια η εταιρεία DeepMind της Google σημειώνει εξαιρετική πρόοδο με τα συστήματα μηχανικής μάθησης και τεχνητής νοημοσύνης, με κορυφαίο το πρόγραμμα AlphaFold που προβλέπει με απίστευτη ακρίβεια την τρισδιάστατη δομή των πρωτεϊνών.

Πείραμα, μηχανική μάθηση και τεχνητή νοημοσύνη

Μέχρι τώρα, τα πιο ακριβή μοντέλα του πυρηνικού πόρου του πυρήνα ανθρώπινου κυττάρου κάλυπταν μόνο το 46% της δομής του. Βασιζόμενοι σε δύο δεκαετίες προηγούμενης έρευνας στο πεδίο, οι επιστήμονες δημιούργησαν τώρα ένα νέο δομικό μοντέλο που καλύπτει περισσότερο από το 90% της δομής του πυρηνικού συμπλόκου.

Ο συνδυασμός πολλών πειραματικών και υπολογιστικών μεθόδων έδωσε τη δυνατότητα στους επιστήμονες να οραματιστούν το σύμπλοκο του πυρηνικού πόρου σε διαφορετικές κλίμακες και επίπεδα με λεπτομέρεια.

Στην πράξη, για να μοντελοποιήσουν τη συνολική μορφή του πόρου, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν κρυο-ηλεκτρονική τομογραφία. Με αυτήν την τεχνική, μπόρεσαν να παρατηρήσουν τον πόρο στο κυτταρικό του περιβάλλον και όχι απομονωμένο. Περισσότερες λεπτομέρειες για τα μεμονωμένα πρωτεϊνικά δομικά στοιχεία αποκαλύφθηκαν από το AlphaFold2, το οποίο σε συνδυασμό με άλλες προσεγγίσεις επέτρεψε την πρόβλεψη πολλών σχηματισμών. Για να βελτιώσουν ακόμη περισσότερο την εικόνα, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν το ColabFold, μια έκδοση του AlphaFold2 που τροποποιήθηκε από την επιστημονική κοινότητα για να μοντελοποιήσει τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ των πρωτεϊνών. Αυτό επέτρεψε στους ερευνητές να οραματιστούν το πώς συνδυάζονται τα διαφορετικά κομμάτια του παζλ για να σχηματίσουν μικρότερα υποσυμπλέγματα και πώς αυτά τα υποσυμπλέγματα στη συνέχεια προσκολλώνται μεταξύ τους για να σχηματίσουν το σύμπλοκο. Τέλος, οι ερευνητές συνέθεσαν όλα τα κομμάτια χρησιμοποιώντας το λογισμικό Assembline που αναπτύχθηκε προηγουμένως από την ομάδα Kosinski και το επικύρωσαν με πειραματικά δεδομένα.

Το μοντέλο που προέκυψε ήταν τόσο πλήρες και λεπτομερές που έδωσε τη δυνατότητα στους ερευνητές να δημιουργήσουν μοριακές προσομοιώσεις με χρονική ανάλυση που εξηγούν πώς οι πρωτεΐνες του πυρηνικού πόρου και η πυρηνική μεμβράνη αλληλεπιδρούν για να δημιουργήσουν έναν σταθερό πόρο και πώς αυτός ανταποκρίνεται σε μηχανικές πιέσεις.

Ο πυρηνικός πόρος διευκολύνει θεμελιώδεις διεργασίες στο κύτταρο, όπως η γονιδιακή έκφραση και μετάφραση, ενώ το πυρηνικό σύστημα μεταφοράς παίζει επίσης ρόλο σε πολλές ασθένειες, συμπεριλαμβανομένων των νευροεκφυλιστικών διαταραχών, του καρκίνου και των ιογενών λοιμώξεων.

Αυτή η εργασία είναι ένα μεγάλο άλμα προς τα εμπρός για τη διερεύνηση των πυρηνικών πόρων, αλλά χρειάζεται ακόμη πολλή έρευνα. Οι επιστήμονες μπορούν τώρα να δημιουργήσουν ένα πλήρες δυναμικό μοντέλο του πυρηνικού πόρου του πυρήνα του ανθρώπινου κυττάρου και να προσομοιώσουν την πυρηνική μεταφορά σε ατομικό επίπεδο με λεπτομέρεια.