Análisis y ingeniería de motores de ADN a nivel de molécula única

Los motores moleculares son enzimas diversas que transducen energía química en trabajo mecánico y, al hacerlo, realizan funciones celulares críticas como la replicación y transcripción del ADN, el superenrollamiento del ADN, el transporte intracelular y la síntesis de ATP. Las técnicas de molécula única se han utilizado ampliamente para identificar intermediarios estructurales en los ciclos de reacción de los motores moleculares y para entender cómo los subpasos en el consumo de energía impulsan las transiciones entre los intermediarios. Aquí, revisamos un amplio espectro de herramientas y técnicas de molécula única, como pinzas ópticas y magnéticas, microscopía de fuerza atómica (AFM), transferencia de energía por resonancia de fluorescencia de molécula única (smFRET), pinzas de nanoporo y técnicas híbridas que aumentan el número de observables. Estos métodos permiten la manipulación de biomoléculas individuales mediante la aplicación de fuerzas y torques y la observación de cambios conformacionales dinámicos en complejos motores individuales. También revisamos cómo se han aplicado estas técnicas para estudiar varios motores, como helicasas, ADN y ARN polimerasas, topoisomerasas, remodeladores de nucleosomas y motores involucrados en la condensación, segregación y digestión del ADN. El análisis en profundidad del acoplamiento mecanoquímico en motores moleculares ha hecho posible el desarrollo de motores artificialmente diseñados. Revisamos técnicas como la mutagénesis, modificaciones químicas y optogenética que se han utilizado para rediseñar motores moleculares existentes para tener, por ejemplo, velocidad, procesividad o funcionalidad alteradas. También discutimos cómo el análisis de moléculas únicas de motores diseñados nos permite desafiar nuestra comprensión fundamental de cómo los motores moleculares transducen energía.