Un fenómeno pasado por alto

Por University of California - Santa Barbara 28 de enero de 2023

Según los investigadores, este comportamiento recién descubierto tiene implicaciones para comprender la función de los iones de fosfato en la biocatálisis, el equilibrio energético en las células y la formación de biomateriales.

Durante una investigación sencilla sobre el proceso de ensamblaje de los grupos de fosfato de calcio, un equipo de investigadores de la Universidad de California, Santa Bárbara y la Universidad de Nueva York se topó con un hallazgo inesperado: los iones de fosfato en el agua tienden a cambiar entre sus estado hidratado y un estado "oscuro" previamente desconocido y misterioso.

Los investigadores creen que este comportamiento recién descubierto tiene implicaciones significativas para comprender la función de los iones de fosfato en la biocatálisis, el equilibrio energético dentro de las células y la creación de biomateriales. El estudio ha sido publicado recientemente en las Actas de la Academia Nacional de Ciencias.

Polvo de fosfato dicálcico. Crédito: Universidad de California – Santa Bárbara

"Phosphate is everywhere," said UCSB chemistry professor Songi Han, one of the authors of a paper in the Proceedings of the National Academy of Sciences. The ion consists of one phosphorus atomAn atom is the smallest component of an element. It is made up of protons and neutrons within the nucleus, and electrons circling the nucleus." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">atom surrounded by four oxygen atoms. "It's in our blood and in our serum," Han continued. "It's in every biologist's buffer, it's on our DNADNA, or deoxyribonucleic acid, is a molecule composed of two long strands of nucleotides that coil around each other to form a double helix. It is the hereditary material in humans and almost all other organisms that carries genetic instructions for development, functioning, growth, and reproduction. Nearly every cell in a person's body has the same DNA. Most DNA is located in the cell nucleus (where it is called nuclear DNA), but a small amount of DNA can also be found in the mitochondria (where it is called mitochondrial DNA or mtDNA)." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">DNA and RNARibonucleic acid (RNA) is a polymeric molecule similar to DNA that is essential in various biological roles in coding, decoding, regulation and expression of genes. Both are nucleic acids, but unlike DNA, RNA is single-stranded. An RNA strand has a backbone made of alternating sugar (ribose) and phosphate groups. Attached to each sugar is one of four bases—adenine (A), uracil (U), cytosine (C), or guanine (G). Different types of RNA exist in the cell: messenger RNA (mRNA), ribosomal RNA (rRNA), and transfer RNA (tRNA)." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">ARN." También es un componente estructural de nuestros huesos y membranas celulares, agregó.

Cuando se unen al calcio, los fosfatos forman pequeños grupos moleculares en su camino hacia la formación de depósitos minerales en las células y los huesos. Eso es lo que Han y sus colaboradores Matthew Helgeson en UCSB y Alexej Jerschow en NYU se estaban preparando para estudiar y caracterizar, con la esperanza de descubrir comportamientos cuánticos en grupos de fosfato simétricos propuestos por el profesor de física de UCSB Matthew Fisher. Pero primero, los investigadores tuvieron que establecer experimentos de control, que involucraron escaneos de iones de fosfato en ausencia de calcio a través de espectroscopía de resonancia magnética nuclear (RMN) y microscopía electrónica de transmisión criogénica (crio-TEM).

Pero como los estudiantes de la UCSB y la NYU en el proyecto recopilaban datos de referencia, que involucraban el isótopo de fósforo 31 que se encuentra de forma natural en soluciones acuosas a diferentes concentraciones y temperaturas, sus resultados no coincidieron con las expectativas. Por ejemplo, dijo Han, se supone que la línea que representa el espectro de 31P durante las exploraciones de RMN se estrecha con el aumento de las temperaturas.

"La razón es que, a medida que se alcanzan temperaturas más altas, las moléculas caen más rápido", explicó. Por lo general, este movimiento molecular rápido promediaría las interacciones anisotrópicas, o interacciones que dependen de las orientaciones relativas de estas moléculas pequeñas. El resultado sería un estrechamiento de las resonancias medidas por el instrumento de RMN.

"Esperábamos una señal de RMN de fósforo, que es simple, con un pico que se estrecha con temperaturas más altas", dijo. "Sorprendentemente, sin embargo, medimos espectros que se estaban ampliando, haciendo todo lo contrario de lo que esperábamos".

Este resultado contrario a la intuición colocó al equipo en un nuevo camino, siguiendo un experimento tras otro para determinar su causa a nivel molecular. ¿La conclusión, después de un año de eliminar una hipótesis tras otra? Los iones de fosfato formaban grupos en una amplia gama de condiciones biológicas, grupos que evadían la detección espectroscópica directa, lo que probablemente explica por qué no se habían observado antes. Además, las mediciones sugirieron que estos iones alternaban entre un estado "libre" visible y un estado "ensamblado" oscuro, por lo tanto, la ampliación de la señal en lugar de un pico agudo.

Además, a medida que aumentaba la temperatura, también aumentaba el número de estos estados ensamblados, otro comportamiento dependiente de la temperatura, según el coautor principal Mesopotamia Nowotarski.

"La conclusión de esos experimentos fue que los fosfatos se están deshidratando y eso les permite acercarse", dijo. A temperaturas más bajas, la gran mayoría de estos fosfatos en solución se adhieren a las moléculas de agua que forman una capa protectora de agua a su alrededor. Este estado hidratado generalmente se asume cuando se considera cómo se comporta el fosfato en los sistemas biológicos. Pero a temperaturas más altas, explicó Nowotarski, arrojan sus escudos de agua, lo que les permite adherirse entre sí. Este concepto fue confirmado por los experimentos de RMN que probaron la capa de agua de fosfato y validado por el análisis de imágenes crio-TEM para identificar la existencia de grupos, así como el modelado de la energía del ensamblaje de fosfato por el coautor Joshua Straub.

Estos ensamblajes dinámicos de fosfato y capas de hidratación tienen implicaciones importantes para la biología y la bioquímica, según los investigadores. El fosfato, dijo el ingeniero químico Matthew Helgeson, es una "moneda" comúnmente entendida que se utiliza en los sistemas biológicos para almacenar y consumir energía a través de la conversión en trifosfato de adenosina (ATP) y difosfato de adenosina (ADP). "Si el fosfato hidratado, el ADP y el ATP representan pequeños 'billetes' de moneda, este nuevo descubrimiento sugiere que estas monedas más pequeñas pueden intercambiarse con denominaciones mucho más grandes, digamos $ 100, que pueden tener interacciones muy diferentes con los procesos bioquímicos que los mecanismos conocidos actualmente", dijo. dicho.

Además, muchos componentes biomoleculares incluyen grupos fosfato que pueden, de manera similar, formar grupos. Por lo tanto, el hallazgo de que estos fosfatos pueden ensamblarse espontáneamente podría arrojar algo de luz sobre otros procesos biológicos fundamentales, como la biomineralización: cómo se forman las conchas y los esqueletos, así como las interacciones de las proteínas.

"También probamos una variedad de fosfatos, incluidos los incorporados en la molécula de ATP, y todos parecen mostrar el mismo fenómeno, y logramos un análisis cuantitativo para estos ensamblajes", dijo el coautor principal Jiaqi Lu.

This once overlooked process could also be significant in the realms of cell signaling, metabolism and disease processes such as Alzheimer'sAlzheimer's disease is a disease that attacks the brain, causing a decline in mental ability that worsens over time. It is the most common form of dementia and accounts for 60 to 80 percent of dementia cases. There is no current cure for Alzheimer's disease, but there are medications that can help ease the symptoms." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> La enfermedad de Alzheimer, donde la unión de un grupo fosfato, o fosforilación, a la proteína tau en nuestro cerebro se encuentra comúnmente en ovillos neurofibrilares, un sello distintivo de la neurodegeneración. Habiendo visto y estudiado este comportamiento de ensamblaje, el equipo ahora está profundizando, con estudios sobre el efecto del pH en el ensamblaje de fosfato, la traducción genética y el ensamblaje de proteínas modificadas, así como su trabajo original sobre el ensamblaje de fosfato de calcio.

"Realmente cambia la forma en que pensamos sobre el papel de los grupos fosfato que normalmente no consideramos un impulsor del ensamblaje molecular", dijo Han.

Referencia: "Los fosfatos forman conjuntos de estado espectroscópicamente oscuro en soluciones acuosas comunes" por Joshua S. Straub, Mesopotamia S. Nowotarski, Jiaqi Lu, Tanvi Sheth, Sally Jiao, Matthew PA Fisher, M. Scott Shell, Matthew E. Helgeson, Alexej Jerschow y Songi Han, 29 de diciembre de 2022, Actas de la Academia Nacional de Ciencias. DOI: 10.1073/pnas.2206765120