Veel bacteriën hebben moleculaire controle-elementen waarmee ze genen aan en uit kunnen zetten. Deze riboswitches openen ook nieuwe mogelijkheden bij de ontwikkeling van antibiotica of de detectie en afbraak van milieutoxines. Onderzoekers van het Karlsruhe Institute of Technology (KIT), Universiteit van Heidelberg, en Freie Universität Berlin hebben nu licht optische microscopie van afzonderlijke moleculen gebruikt om de manier waarop riboswitches werken fundamenteel te bestuderen. Dit wordt gemeld in Natuur Chemische Biologie .

Riboswitches bevinden zich op het boodschapper-ribonucleïnezuur (mRNA) dat genetische informatie naar de plaats van eiwitbiosynthese transporteert. Een riboswitch bestaat uit een sensor die de concentratie van een klein metabolisch molecuul meet en een effector die de genexpressie controleert en, Vandaar, synthese van een eiwit. Omdat riboswitches in veel bacteriële pathogenen voorkomen, ze vertegenwoordigen belangrijke doelen bij de ontwikkeling van nieuwe antibiotica. Andere toepassingen zijn mogelijk in de synthetische biologie. Bijvoorbeeld, bacteriën kunnen genetisch worden gemodificeerd met riboswitches om laagmoleculaire milieutoxines te detecteren en af ​​te breken, zoals herbiciden. Echter, fundamenteel begrip van de processen die ten grondslag liggen aan de functie van riboswitches is vereist. Het werk gepresenteerd in Natuur Chemische Biologie is hierin een essentiële bijdrage.

De onderzoeksgroepen van professor Gerd Ulrich Nienhaus van het KIT en professor Andres Jäschke van de Universiteit van Heidelberg bestudeerden de S-adenosyl-L-methionine (SAM)-I riboswitch. "Bevestiging van het SAM-molecuul aan deze riboswitch veroorzaakt de conformatie, dat is de ruimtelijke ordening van atomen, om te veranderen van de anti-terminator (AT) naar de terminator (T) structuur, Nienhaus legt uit. "Hierdoor genexpressie is uitgeschakeld."

Eerst, de wetenschappers in Heidelberg synthetiseerden SAM-I riboswitches en markeerden ze specifiek met twee fluorescerende kleurstoffen, elk op verschillende punten. De onderzoekers van KIT bestudeerden deze RNA-moleculen vervolgens met een hoge ruimtelijke en temporele resolutie met behulp van zeer gevoelige lichtmicroscopen die de fluorescentie-emissie van enkelvoudige kleurstofmoleculen meten. Door middel van Förster-resonantie-energieoverdracht (FRET) experimenten, conformatiedynamiek werd direct bepaald. Voor dit doeleinde, laserstraling wordt gebruikt om een ​​groene kleurstof licht te laten uitstralen. Als zich een rode kleurstof in de buurt bevindt, het kan de excitatie-energie van de groene kleurstof overnemen en zelf licht uitstralen.

De kans op energieoverdracht is sterk afhankelijk van de afstand van de kleurstoffen tot elkaar. Structurele veranderingen van een molecuul waaraan de kleurstoffen specifiek zijn gehecht, kunnen direct worden waargenomen via emissie van de rode kleurstof. Lichtemissie is extreem zwak, die complexe data-analysemethoden vereisen op basis van verborgen Markov-modellering. Professor Bettina Keller van het Instituut voor Chemie en Biochemie van de Freie Universität Berlin ontwikkelde de methoden speciaal voor dit soort experimenten om tijdsafhankelijke lichtemissiesignalen te onderscheiden van ruis.

In hun analyse de onderzoekers onderscheidden twee conformaties (T en AT) van de SAM-I riboswitch, en in totaal vier conformaties (T1, T2, BIJ 1, en AT2). Verrassend genoeg, de riboswitch schakelde niet volledig tussen de T- en AT-structuren in aanwezigheid en afwezigheid van SAM, zoals verwacht, maar fluctueerde permanent tussen alle staten - alleen wegingen werden verschoven. Een belangrijk resultaat voor de biologische functie was dat structuurfluctuaties die werden waargenomen met een aangehechte SAM veel sneller waren dan zonder SAM. Omdat de riboswitch-sequentie op het boodschapper-RNA zich direct voor het te controleren gen bevindt, het RNA-molecuul moet zo snel mogelijk na synthese in aanwezigheid van SAM een T-structuur vormen (uitschakelen) om latere transcriptie van het te controleren gen te voorkomen. Versnelling van structuurfluctuaties door SAM-bevestiging zorgt dus voor voldoende snelle vorming van een T-structuur. "Bijgevolg, dynamiek van de SAM-I riboswitch een belangrijke rol spelen voor zijn functie, Nienhaus zegt. "Deze gedetailleerde inzichten in het functioneren van een biomolecuul zijn het resultaat van een interdisciplinaire benadering van de natuurkunde, biotechnologie, en theoretische chemie."