ANII | Agencia Nacional de Investigación e Innovación

La señalización es un fenómeno distintivo de la vida, permitiendo a las células adaptarse en respuesta a señales de entrada. Los sistemas de dos componentes (TCS, del inglés ?two-component systems?), son maquinarias proteicas que controlan el flujo de información de un modo señal-dependiente en una gran variedad de organismos. Para ello utilizan rearreglos conformacionales 3D de las proteínas implicadas, ligados a la transferencia de un grupo fosforilo, entre la histidin-quinasa sensora (HKs, del inglés ?histidine kinase?), y el regulador de respuesta (RR). Los TCSs aseguran alta especificidad (evitando la asociación de pares HK:RR inespecíficos, entre docenas de TCSs co-expresados en la célula), eficiencia y direccionalidad. Estos últimos dos aspectos están aún mal comprendidos, a pesar de su relevancia fundamental en Biología. ¿Cómo se evita la pérdida del fosforilo en ciclos fútiles de fosfotransferencia/desfosforilación? O bien, ¿cómo se regula la dirección apropiada de las vías minimizando las fosfotransferencias reversas? Revelar los mecanismos moleculares subyacentes es un objetivo central de esta propuesta. Nuestros resultados preliminares apoyan la hipótesis de que la fosfotransferencia ocurre como una reacción de sustitución nucleofílica disociativa, directamente correlacionada a la importante distancia interatómica observada entre los átomos dador (HisHK-Ne) y aceptor (AspRR-Od) del fosforilo. Este proyecto pondrá a prueba las hipótesis, interrogando TCSs modelo de sistemas reversibles e irreversibles, combinando abordajes complementarios, experimentales (mutagénesis sitio-específica, cristalografía y bioquímica de reacciones de fosfotransferencia) y computacionales (simulaciones clásicas y cuánticas). Los avances contribuirán a entender la evolución de sistemas de fosfotransferencia irreversible (P~His-->Asp), tal como en los TCSs canónicos. Así como otros reversibles ([P~]His<-->Asp[~P]), típicos en módulos TCS de sistemas más complejos de tipo ?phosphorelay?. Anticipamos también contribuir en Biología Sintética, haciendo más predecible el diseño de biosensores basados en nuevas especificidades HK/RR: asegurando eficiencia y direccionalidad, por incorporación de elementos de simetría/asimetría en los sitios de reacción.

La señalización es un fenómeno distintivo de la vida, permitiendo a las células adaptarse en respuesta a señales del ambiente. Los sistemas de dos componentes (TCS, del inglés “two-component systems”), son maquinarias proteicas presentes en una gran variedad de organismos, que controlan el flujo de información desde las señales hasta las respuestas adaptativas. Para ello utilizan rearreglos conformacionales 3D de las proteínas implicadas, ligados a la transferencia de un grupo fosforilo, entre una histidin-quinasa sensora (HKs, del inglés “histidine kinase”), y el regulador de respuesta (RR). Dichos rearreglos conformacionales transforman a las proteínas de TCSs en verdaderos interruptores moleculares. Los TCSs aseguran alta especificidad (evitando asociaciones incorrectas de pares HK:RR, entre las docenas de TCSs co-expresados en la célula), eficiencia y direccionalidad. Estos últimos dos aspectos están aún mal comprendidos, a pesar de su relevancia fundamental en Biología. Dado que la mayoría de las HKs pueden catalizar tanto la fosforilación como la desfosforilación de su RR específico, ¿cómo se evita la pérdida del fosforilo en ciclos fútiles de fosfotransferencia/desfosforilación? O bien, ¿cómo se regula la dirección apropiada de las vías minimizando las fosfotransferencias reversas? Este proyecto revela ahora mecanismos moleculares subyacentes que determinan la eficiencia y la direccionalidad de los TCSs. Utilizando métodos de Biología Estructural como la cristalografía de rayos X, logramos ver a las proteínas de interés con alta resolución, revelando sus formas y la disposición espacial de sus aminoácidos. Comparando las estructuras 3D de las HK y RR analizadas en distintos estados de señalización, pudimos así describir los rearreglos conformacionales involucrados a lo largo del ciclo de señalización. Combinando abordajes bioquímicos y análisis computacionales, logramos también identificar los aminoácidos clave, y los mecanismos moleculares que determinan el comportamiento normal de estas proteínas. Estos conocimientos abren las puertas para hacer Biología Sintética, y diseñar eficientes biosensores a medida.