Baanbrekend onderzoek bij de nieuwe lange-golflengte macromoleculaire kristallografie-bundellijn (I23) bij Diamond Light Source heeft voor het eerst de locatie van kaliumionen in bacteriële ribosomen aangetoond. Ribosomen zijn de eiwitfabrieken van cellen en hoewel ze essentieel zijn voor het leven, er was weinig bekend over de plaatsen van metaalionen die cruciaal zijn voor hun structuur en functie. Het werk dat onlangs is gepubliceerd in Natuurcommunicatie toont de fantastische toepassingen van de I23-bundellijn en werpt licht op de belangrijke rol van kaliumionen.

Ribosomen zijn gigantische eiwitfabrieken die zich in cellen van alle vormen van leven bevinden, en zijn verantwoordelijk voor de nauwkeurige omzetting van genetische informatie in eiwitten. Het zijn de meest complexe RNA-eiwitassemblages in de cel en hebben metaalionen nodig om hun structuur en functie te behouden. Hoewel zo'n belangrijk bestanddeel van een cel, het exacte type en de locatie van metaalionen binnen deze grote complexen moesten nog worden gedefinieerd. In feite, eerdere pogingen om het ribosoom te karakteriseren, benadrukten te veel het belang van magnesiumionen, dus andere metaalionen werden grotendeels genegeerd.

Een internationaal team van onderzoekers probeerde de rol van kalium in ribosomen volledig te definiëren. Met behulp van de unieke lange-golflengte macromoleculaire kristallografie-bundellijn (I23) bij Diamond, het team was in staat om honderden kaliumionen in bacteriële ribosomen te lokaliseren. De geavanceerde techniek toonde voor het eerst op een structurele 3D-basis aan dat kaliumionen niet alleen betrokken waren bij de algehele vorming van de structuur van ribosomaal RNA (rRNA) en ribosomale eiwitten, maar dat ze ook een belangrijke rol speelden in zijn functie.

Deze resultaten vullen een enorme kennislacune op en kunnen ook leiden tot potentiële therapeutische toepassingen. Door de fijne kneepjes van bacteriële ribosomen volledig te begrijpen, het is te hopen dat ze het doelwit kunnen zijn om nieuwe klassen antibiotica te ontwikkelen.

Standaard magnesium

Ribosomen zijn essentieel voor eiwitsynthese en zijn samengesteld uit twee complexe subeenheden. Hoewel hun structuur eerder grondig is gekarakteriseerd door röntgenkristallografie en cryo-elektronenmicroscopie (cryo-EM), de exacte metaalionen die hun structuur en functie ondersteunen, zijn wetenschappers ontgaan.

Wanneer ribosomen worden onderworpen aan diffractie-experimenten, de metaalionen dragen bij aan gebieden met elektronendichtheid. Standaard, onderzoekers hebben deze dichtheid toegeschreven aan magnesiumionen om 3D-structuurmodellen te genereren. Echter, het is bekend dat kalium ook een belangrijke rol speelt in ribosomen, omdat het terugtrekken ervan leidt tot ontplooiing.

Bij deze Europese samenwerking zijn Gulnara Yusupova en Marat Yusupov van het Instituut voor Genetica en Moleculaire en Cellulaire Biologie (IGBMC, Straatsburg, Frankrijk), en Alexey Rozov van een spin-out bedrijf van de IGBMC genaamd "RiboStruct. "We werken al 30 jaar aan ons hoofddoel, om te begrijpen hoe de atomaire structuur van het ribosoom uiteindelijk zijn buitengewone functie bepaalt:eiwitsynthese. Kalium is het meest voorkomende kation in de cellen, en als zodanig belangrijk werd geacht voor alle cellulaire processen, maar de invloed ervan op de vertaling is nooit tot in detail bestudeerd', verklaarde het team van Gulnara Yusupova en Marat Yusupov. Dus begonnen ze aan een langdurige studie, geholpen door het team van Dr. Armin Wagner op I23, om kaliumionen in bacteriële ribosomen volledig te karakteriseren.

Unieke faciliteit

Meer dan twee jaar nodig om te ontwikkelen, I23 is een unieke faciliteit bij Diamond die een energiebereik dekt dat bij geen enkele andere synchrotron ter wereld beschikbaar is. Dr. Wagner, Principal Beamline Scientist bij I23 en een van de auteurs van de studie legden de mogelijkheden van de beamline uit:"Het unieke golflengtebereik stelt ons in staat om de binding van kalium echt te richten. Dus we kunnen experimenten doen rond de absorptierand waarmee we 3 kunnen berekenen -D-kaarten die de atomen benadrukken die bijdragen aan de verstrooiing."

De studie richtte zich op bacteriële ribosomen van Thermus thermophilus. De onderzoekers concentreerden hun inspanningen op kristalstructuren van de ribosomen in complex met boodschapper-RNA en transfer-RNA. Door de afwijkende verstrooiingssignalen aan de K-rand te meten, konden ze de kaliumionen detecteren.

Het team van Dr. Wagner bij I23 hielp bij het plannen en uitvoeren van de studie, die de eerste in zijn soort ter wereld was. Het bestuderen van een van de meest complexe biologische systemen was belastend en de teams van IGBMC en RiboStruct hebben meer dan een jaar besteed aan het analyseren van de gegevens om kaliumionen met ongekende precisie te lokaliseren.

Vitale rol van kalium

Het team zag honderden kaliumionen, en velen bevonden zich op belangrijke posities binnen het ribosoom. De belangrijkste stabiliseert het decoderingscentrum wanneer het gebonden is aan het boodschapper-RNA, die genetische informatie doorgeeft aan het ribosoom. Deze inzichten laten echt de vitale rol van kalium in de eiwitsynthese zien.

Typisch, cryo-EM wordt grotendeels gebruikt om de ribosomale structuur te onderzoeken, maar deze studie toont aan dat kristallografie unieke inzichten kan bieden. De nauwkeurige locatie van kalium en inderdaad andere metaalionen is nog niet mogelijk met elektronen.

De teams zullen hun inspanningen voortzetten om ribosomen te karakteriseren met behulp van zowel cryo-EM als kristallografie en ze zijn van plan in de toekomst naar hogere organismen te kijken. Bij Diamant, Dr. Wagner streeft ernaar het potentieel van I23 als waardevol onderzoeksinstrument te realiseren. "I23 is momenteel de enige faciliteit waar dit onderzoek had kunnen worden uitgevoerd. Het laat zien dat I23 de positie kan bepalen van lichte atomen zoals kalium, calcium, chloor, fosfor, zwavel, alle atomen van hoge biologische betekenis. Deze studie is nog maar het begin en we verwachten meer opwindende resultaten van de bundellijn, " concludeerde hij.