Mientras realizaban una investigación sencilla sobre el mecanismo de ensamblaje de los grupos de fosfato de calcio, los investigadores de la UC Santa Bárbara y la Universidad de Nueva York (NYU) hicieron un descubrimiento sorprendente: los iones de fosfato en el agua tienen la curiosa costumbre de alternar espontáneamente entre su estado hidratado comúnmente encontrado y un estado ‘oscuro’ misterioso, no informado previamente. Este comportamiento descubierto recientemente, dicen, tiene implicaciones para comprender el papel de las especies de fosfato en la biocatálisis, el balance de energía celular y la formación de biomateriales. Sus hallazgos se publican en el procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias.
«El fosfato está en todas partes», dijo el profesor de química de la UCSB, Songi Han, uno de los autores de un artículo en Proceedings of the National Academy of Sciences. El ion consta de un átomo de fósforo rodeado por cuatro átomos de oxígeno. «Está en nuestra sangre y en nuestro suero», continuó Han. «Está en el búfer de cada biólogo, está en nuestro ADN y 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, la línea que representa el espectro para 31Se supone que P 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 experimentos de RMN que sondearon la capa de agua de fosfato y validado aún más 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 principal 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. » él dijo.
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.
Este proceso que alguna vez se pasó por alto también podría ser significativo en los ámbitos de la señalización celular, el metabolismo y los procesos de enfermedades como 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 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.
La investigación en este documento también fue realizada por Tanvi Sheth y Sally Jiao en UC Santa Barbara.
