Elke levende cel is afhankelijk van eiwitten om te kunnen functioneren en het proces van eiwitsynthese - vertaling - is van cruciaal belang om te overleven. Bacteriën zijn geen uitzondering, waarbij moleculaire machines die betrokken zijn bij translatie een van de meest voorkomende doelwitten voor antibiotica zijn.

Nu hebben wetenschappers onder leiding van Julia Mahamid's groep bij EMBL Heidelberg voor het eerst tot in atomaire details gevisualiseerd hoe antibiotica het proces van eiwitproductie in bacteriële cellen beïnvloeden. Deze studie, gepubliceerd in Nature, is ook de eerste keer dat wetenschappers structurele veranderingen op atomair niveau in de actieve vertaalmachinerie rechtstreeks in een cel hebben waargenomen, in plaats van geïsoleerde moleculen in een reageerbuis te gebruiken. Belangrijk is dat deze benadering hen in staat stelde mechanismen te identificeren die dergelijke machines gebruiken om met elkaar te "praten" in cellen.

De studie werd uitgevoerd in samenwerking met onderzoekers van het Max-Planck-Instituut voor Biofysische Chemie, Göttingen, het Wellcome Center for Cell Biology, University of Edinburgh en Technische Universität Berlin. Het onderzoek omvatte ook bijdragen van de Zimmermann-Kogadeeva- en Bork-groepen bij EMBL Heidelberg, die de onderzoekers hielpen bij het uitvoeren van bioinformatica-analyses om te observeren hoe diversiteit in ribosomale eiwitten eruitziet bij>4000 representatieve bacteriën.

Minuscule bacteriën en moleculaire machines

Mahamid en haar team zijn experts in het bestuderen van de bacterie Mycoplasma pneumoniae met behulp van een techniek die cryo-elektronentomografie (cryo-ET) wordt genoemd. Deze kleine bacterie, die atypische longontsteking bij mensen veroorzaakt, heeft een volledig functionele eiwitsynthesemachine, ondanks dat ze slechts ongeveer tienduizendste millimeter groot is.

"We kozen voor Mycoplasma voor onze studies omdat ze tot de kleinste en meest minimale levende cellen behoren en op grote schaal worden gebruikt als modelcellen in systeembiologie en synthetische biologiestudies", zegt Liang Xue, postdoc in de Mahamid-groep en de eerste auteur van de studie.

Met Cryo-ET kunnen onderzoekers seriële beelden maken van snel bevroren biologische monsters met behulp van een elektronenmicroscoop en de resulterende beelden combineren om een ​​driedimensionaal beeld van een cel te vormen - een beetje zoals een mini-MRI-machine. "Met grootschalige cryo-ET-gegevens van perfect bewaarde cellen, is het mogelijk om snapshots met hoge resolutie van verschillende toestanden van een moleculaire machine in actie te maken en deze te combineren tot een film", zegt Mahamid.

Een van de meest prominente structuren als je naar een cryo-ET-afbeelding van een Mycoplasma-cel kijkt, zijn kleine donkere klodders - dit zijn de ribosomen. "Het ribosoom is een van de oudste macromoleculaire machines, die mogelijk al vóór de opkomst van cellen bestond", zei Xue. Ribosomen zijn de primaire moleculaire machines die betrokken zijn bij eiwittranslatie en ze zijn aanwezig in alle cellen, van bacteriën tot mensen.

Dankzij de benadering van de Mahamid-groep konden ze niet alleen de ribosomen in de bacteriën zien en tellen, maar ook hun structuur met atomaire resolutie zien. Door een groot aantal ribosomen te bestuderen die in verschillende stadia van hun activiteitscyclus "bevroren" zijn, konden de wetenschappers ontcijferen hoe de ribosoomstructuur verandert tijdens het proces van eiwitsynthese. Niet alleen dit, maar ze konden ook de ribosomen lokaliseren in de driedimensionale ruimte in de cel, waardoor ze konden identificeren hoe het translatieproces ruimtelijk is georganiseerd.

"Binnen levende cellen functioneren ribosomen als sterk onderling verbonden systemen, in plaats van individuele moleculaire machines," zei Xue. "We onthulden nieuwe functies in ribosomen en de diverse translatiereactiepaden in cellen."

Antibiotica in actie

Cruciaal is dat de onderzoekers met behulp van cryo-ET konden observeren wat er gebeurt als antibiotica de cel binnenkomen en binden aan ribosomen. Ze konden bijvoorbeeld bevestigen dat de twee breedspectrumantibiotica chlooramfenicol en spectinomycine aan verschillende plaatsen op het ribosoom binden en verschillende stappen van het eiwitsyntheseproces verstoren. Dit was voorspeld door studies op geïsoleerde ribosomen, maar nooit eerder waargenomen in actie in een echte bacteriële cel.

"Het was heel spannend toen we voor het eerst konden zien dat het medicijnmolecuul zich aan een ribosoom in de cel bindt", zei Xue. "Maar het was nog spannender toen we ontdekten dat de ribosoompopulaties in met antibiotica behandelde cellen fundamenteel hervormd zijn - functioneel, structureel en ruimtelijk."

De onderzoekers merkten op dat de interacties tussen ribosomen en andere complexen in de cel veranderden als reactie op het medicijn, wat suggereert dat een antibioticum een ​​effect kan hebben dat veel verder gaat dan het specifieke complex waaraan het bindt. "Aan de ene kant kan dit helpen de off-target effecten van antibiotica te begrijpen, en kan het ook helpen bij het ontwerpen van combinaties van antibiotica om hun efficiëntie te verhogen," zei Mahamid.

De Mahamid-groep blijft de kracht van cryo-ET gebruiken om fundamentele biologische processen te bestuderen. "Wat we voor dit buitengewoon eenvoudige modelsysteem kunnen doen, is in principe toepasbaar op veel complexere modellen", zei Mahamid. "In onze groep bestuderen we bijvoorbeeld de interactie tussen virussen en hun menselijke celgastheer, de organisatie van menselijke pluripotente stamcellen en het functioneren van hun ribosomen, en zelfs grote meercellige 3D-organoïden die onze medewerkers en wij kweken uit cellen die rechtstreeks afkomstig zijn van kankerpatiënten." + Verder verkennen

Onderzoekers identificeren bacterieel eiwit dat 'vastgelopen' ribosomen detecteert en redt