Wetenschappers onthullen hoe een 'moleculaire machine' in bacteriële cellen dodelijke DNA-verdraaiing voorkomt die cruciaal kunnen zijn bij de ontwikkeling van nieuwe antibioticabehandelingen.

DNA-replicatie is van vitaal belang voor alle levensvormen, maar in sommige organismen kan het worden voorkomen door wendingen in de DNA-sequentie, zogenaamde 'superspoelen'. Als er te veel supercoils mogen worden opgebouwd, cellen die essentieel zijn voor het in stand houden van het leven zullen afsterven.

Een moleculaire machine, genaamd DNA-gyrase, die wordt gevonden in bacteriële cellen, maar niet in menselijke cellen, ontspant de wendingen zodat de DNA-replicatie normaal kan doorgaan, maar tot nu toe was er beperkt begrip van hoe het dit in realtime doet in echte levende cellen.

Het proces is van bijzonder belang voor medicijnontwikkelaars, want als DNA-gyrase met succes kan worden onderbroken omdat het werkt om wendingen in bacteriële DNA-cellen te stoppen, de bacteriën zullen sterven en de dreiging van infectie voor de gastheer wordt voorkomen.

Gele gloed

Het team van de Universiteit van York, in samenwerking met het John Innes Centre, Oxford, en de Adam Mickiewicz Universiteit, Polen, een speciale lasermicroscoop gebruikt om licht te laten schijnen op een fluorescerend eiwit, waardoor DNA-gyrase geel gloeit. Hierdoor konden wetenschappers in een bacteriële cel kijken en, Voor de eerste keer, observeer hoe de moleculaire machinerie wendingen in het DNA voorkomt.

Professor Mark Leak, van de afdelingen Biologie en Natuurkunde van de Universiteit van York, zei:"Door gemodificeerde fluorescerende eiwitten te gebruiken, kan het DNA-gyrase geel gloeien, terwijl de cellulaire machinerie, die wordt gebruikt om daadwerkelijk DNA te repliceren, kunnen worden gelabeld met een ander roodgloeiend eiwit.

"Deze afzonderlijke kleuren kunnen vervolgens worden opgesplitst in verschillende detectorkanalen om de precieze locatie van DNA-gyrase te kunnen observeren ten opzichte van het exacte punt waarop DNA-replicatie daadwerkelijk plaatsvindt in een enkele levende bacteriële cel."

De onderzoekers hebben ontdekt dat de DNA-gyrase zijn draai-ontspanningsactiviteiten richt net voor het punt waarop DNA wordt gerepliceerd in een cel.

nanoschaal

Professor Leake zei:"De moleculaire machines die DNA-replicatie uitvoeren, pendelen langs het DNA, maar dit werk kan resulteren in minuscule DNA-kronkels op nanoschaal die zich ophopen voor de replicatiemachinerie, net als verwarde kabels aan de achterkant van uw tv-toestel.

"We hebben nu aangetoond dat enkele tientallen DNA-gyrase-moleculen actief binden aan een zone direct voor de replicatiemachinerie en de DNA-nanodraaiingen sneller ontspannen dan de replicatiemachine zelf langs het DNA beweegt.

"Ze voorkomen in wezen dat er een 'twist-barrière' wordt opgebouwd die zou voorkomen dat replicatiemachines zich langs het DNA verplaatsen, replicatie stoppen, en dood de cel."

Superbugs

DNA-gyrase is een doelwit voor een aantal verschillende antibiotica, maar met verschillende 'super-bugs' die opduiken die resistent zijn tegen antibiotica, er is meer dringende behoefte om te begrijpen hoe bacteriële cellen in realtime werken.

Professor Leake zei:"Nu we weten hoe DNA-gyrase echt zijn rol vervult in levende bacteriën, we kunnen helpen bij het ontwerpen van nieuwe soorten medicijnen die de werking van DNA-gyrase kunnen stoppen, waardoor medicijnen gerichter kunnen worden en uiteindelijk gevaarlijke bacteriële infecties bij mensen kunnen doden.

"Menselijke cellen hebben vergelijkbare mechanismen om DNA-draaiingen op te lossen, maar met behulp van verschillende moleculaire machines, en ons werk aan DNA-gyrase in bacteriën geeft ons waardevolle inzichten in de algemene mechanismen die de werking van deze klasse van opmerkelijke biomoleculen voor alle organismen bepalen."