Каждая живая клетка нуждается в белках, чтобы функционировать, и процесс синтеза белка — трансляция — имеет решающее значение для выживания. Бактерии не являются исключением: молекулярные машины, участвующие в трансляции, являются одной из наиболее распространенных мишеней для антибиотиков.

Теперь впервые ученые во главе с группой Джулии Махамид из EMBL Heidelberg визуализировали в атомарных деталях, как антибиотики влияют на процесс производства белка внутри бактериальных клеток. Это исследование, опубликованное в журнале Nature, также знаменует собой первый случай, когда ученые наблюдали структурные изменения на атомном уровне в активном механизме трансляции непосредственно внутри клетки, а не с использованием изолированных молекул в пробирке. Важно отметить, что этот подход позволил им определить механизмы, которые такие машины используют для «общения» друг с другом внутри клеток.

Исследование проводилось в сотрудничестве с исследователями из Института биофизической химии им. Макса Планка в Геттингене, Центра клеточной биологии Wellcome, Эдинбургского университета и Берлинского технического университета. В исследовании также приняли участие группы Циммерманн-Когадеева и Борк из EMBL Heidelberg, которые помогли исследователям провести биоинформатический анализ, чтобы проследить, как выглядит разнообразие рибосомных белков в более чем 4000 репрезентативных бактериях.

Миниатюрные бактерии и молекулярные машины

Махамид и ее команда являются экспертами в изучении бактерий Mycoplasma pneumoniae с помощью метода, называемого криоэлектронной томографией (крио-ЭТ). Эта крошечная бактерия, вызывающая атипичную пневмонию у людей, имеет полнофункциональный механизм синтеза белка, несмотря на то, что ее размер составляет всего около десятитысячной миллиметра.

«Мы выбрали микоплазмы для наших исследований, потому что они являются одними из самых маленьких и самых минимальных живых клеток и широко используются в качестве модельных клеток в исследованиях системной биологии и синтетической биологии», — сказал Лян Сюэ, постдоктор в группе Махамидов и первый автор исследования. изучение.

NutriBiotic, Immunity, аскорбат натрия, кристаллический порошок, 227 г (8 унций)

Cryo-ET позволяет исследователям получать серийные изображения мгновенно замороженных биологических образцов с помощью электронного микроскопа и комбинировать полученные изображения для формирования трехмерного изображения клетки — что-то вроде мини-МРТ. «Благодаря крупномасштабным данным крио-ЭТ из первозданно сохранившихся клеток можно делать снимки с высоким разрешением различных состояний молекулярной машины в действии и объединять их в фильм», — сказал Махамид.

Одной из наиболее заметных структур, когда вы смотрите на крио-ЭТ-изображение клетки микоплазмы , являются крошечные темные капли — это рибосомы. «Рибосома — одна из самых древних макромолекулярных машин, которая, возможно, существовала еще до появления клеток», — сказал Сюэ. Рибосомы — это основные молекулярные машины, участвующие в трансляции белков, и они присутствуют во всех клетках — от бактерий до человека.

Подход группы Махамида позволил им не только обнаружить и подсчитать рибосомы внутри бактерий, но и увидеть их структуру с атомарным разрешением. Изучая большое количество рибосом, «замороженных» на разных стадиях их цикла активности, ученые смогли расшифровать, как меняется структура рибосомы в процессе синтеза белка. Не только это, они также смогли локализовать рибосомы в трехмерном пространстве внутри клетки, что позволило им определить, как пространственно организован процесс трансляции.

«Внутри живых клеток рибосомы функционируют как сильно взаимосвязанные системы, а не как отдельные молекулярные машины», — сказал Сюэ. «Мы обнаружили новые особенности рибосом и разнообразные пути реакций трансляции в клетках».

Антибиотики в действии

Важно отметить, что с помощью крио-ЭТ исследователи могли наблюдать, что происходит, когда антибиотики проникают в клетку и связываются с рибосомами. Например, они могли бы подтвердить, что два антибиотика широкого спектра действия, хлорамфеникол и спектиномицин, связываются с разными участками рибосомы и нарушают разные этапы процесса синтеза белка. Это было предсказано исследованиями на изолированных рибосомах, но никогда ранее не наблюдалось в действии внутри настоящей бактериальной клетки.

«Это было очень захватывающе, когда мы впервые смогли увидеть, как молекула лекарства связывается с рибосомой внутри клетки», — сказал Сюэ. «Но было еще более захватывающим, когда мы обнаружили, что популяции рибосом в клетках, обработанных антибиотиками, коренным образом изменились — функционально, структурно и пространственно».

Исследователи заметили, что взаимодействия между рибосомами и другими комплексами в клетке изменились в ответ на лекарство, предполагая, что эффект антибиотика может выходить далеко за пределы конкретного комплекса, с которым он связывается. «С одной стороны, это может помочь понять побочные эффекты антибиотиков, а также может помочь в разработке комбинаций антибиотиков для повышения их эффективности», — сказал Махамид.

Группа Махамидов продолжает использовать возможности крио-ЕТ для изучения фундаментальных биологических процессов. «То, что мы можем сделать для этой исключительно простой модельной системы, в принципе применимо и к гораздо более сложным моделям», — сказал Махамид. «Например, в нашей группе мы изучаем взаимодействие между вирусами и их человеческой клеткой-хозяином, организацию плюрипотентных стволовых клеток человека и функционирование их рибосом и даже большие многоклеточные трехмерные органоиды, которые наши сотрудники и мы выращиваем из клеток, взятых непосредственно из больных раком».