Stosując innowacyjne podejście, naukowcy z projektu EMBL odkryli kluczowe interakcje między maszynami molekularnymi, potencjalnie otwierając nowe możliwości opracowywania leków.
Wybór filmu na wieczór filmowy to zawsze nie lada wyzwanie. A teraz wyobraź sobie, że mógłbyś wybrać taki, który umożliwiłby wgląd w niektóre z najbardziej podstawowych procesów biologicznych, które utrzymują nas przy życiu. Po raz pierwszy w historii naukowcy nakręcili film molekularny w czasie rzeczywistym, aby pokazać, jak dwa podstawowe procesy komórkowe – transkrypcja i translacja – oddziałują ze sobą w bakteriach.
We wszystkich organizmach żywych[{” attribute=”” tabindex=”0″ role=”link”>DNA contains the code that defines cellular structures and functions. An enzyme called RNA polymerase deciphers this code and converts it into RNA, a molecule that closely resembles DNA. This transfer of life’s code from DNA to RNA is called transcription. Next, a molecular machine called ‘ribosome’ uses the message encoded in RNA to build proteins – the molecules performing most of the essential functions of our cells. This process is called translation.
Film podsumowuje, jak obecnie rozumiemy, w jaki sposób transkrypcja i translacja są ze sobą fizycznie i funkcjonalnie powiązane. Korzystając z wielobarwnej mikroskopii fluorescencyjnej pojedynczej cząsteczki, jednocześnie śledziliśmy wydłużanie transkrypcji i translacji oraz sprzęganie między polimerazą RNA a rybosomem. Widzimy, jak pojedyncze rybosomy zwalniają po zderzeniu z polimerazą RNA i że aktywują polimerazę RNA poprzez fizyczne sprzężenie dalekiego zasięgu. Źródło: EMBL
„W komórkach bakteryjnych transkrypcja i translacja zachodzą w tym samym przedziale komórkowym” – wyjaśnił Olivier Duss, kierownik grupy w EMBL Heidelberg i starszy autor nowego badania. „W komórkach ludzkich transkrypcja jest zlokalizowana w jądrze – przedziale, w którym przechowywane jest DNA, oddzielonym od reszty komórki błoną. Transkrypcja RNA jest następnie transportowana na zewnątrz jądra, gdzie ulega translacji na białka, co zachodzi wyłącznie w cytoplazmie – przedziale komórkowym otaczającym jądro. Komórki bakteryjne mają znacznie prostszą strukturę komórkową i brakuje im jądra, co umożliwia transkrypcję i translację nie tylko w tym samym miejscu, ale także w tym samym czasie.
Naukowcy charakteryzowali już wcześniej transkrypcję i translację jako pojedyncze procesy, ale sposób, w jaki te dwa procesy oddziałują na siebie, nie jest dobrze poznany. Było to częściowo spowodowane tym, że tego typu badania opierały się na technikach takich jak mikroskopia krioelektronowa, która wymaga zamrożonych próbek, zapewniając w ten sposób jedynie migawki procesu.
Zaawansowane narzędzia do przechwytywania interakcji molekularnych
Problem ten zainteresował Grupę Duss, która wykorzystuje technologie jednocząsteczkowe, biologię strukturalną i biochemię, aby zrozumieć, w jaki sposób duże maszyny molekularne zaangażowane w kluczowe funkcje komórkowe współpracują ze sobą.
Aby zbadać, w jaki sposób transkrypcja i transkrypcja współdziałają, zespół badawczy, pod kierownictwem naukowca Nusrata Qureshiego, sztucznie odtworzył środowisko komórkowe wymagane do zajścia tych procesów. Umożliwiło im to dokładne śledzenie dynamiki oddziałujących rybosomów i polimeraz RNA, jednej pary na raz, przy użyciu techniki zwanej jednocząsteczkową, wielobarwną mikroskopią fluorescencyjną.
Mówiąc najprościej, technika ta polega na znakowaniu polimerazy RNA i rybosomu małymi substancjami chemicznymi, które działają jak czujniki zbliżeniowe. Kiedy te dwie cząsteczki oddziałują, emitują sygnał, który może zostać wychwycony przez mikroskop fluorescencyjny. Kiedy przestają ze sobą współdziałać, sygnał znika.
Wykorzystując to, naukowcy uchwycili kilka minut dynamicznej interakcji pomiędzy polimerazą RNA a rybosomem. Po raz pierwszy w historii mogli patrzeć przez mikroskop i jednocześnie oglądać transkrypcję i tłumaczenie w akcji.
„Jestem bardzo podekscytowany, że w końcu możemy obejrzeć cały proces” – powiedział Duss. „Możemy wprawić te migawki w ruch, co pozwala nam lepiej zrozumieć, w jaki sposób obie maszyny współpracują. Łącząc to wszystko w jedną całość, zaczynamy dostrzegać wyłaniające się zachowania, których nie można przewidzieć w inny sposób.
Jednym z takich nowych zachowań, które odkryli naukowcy, było to, że polimeraza RNA i rybosom mogą komunikować się nawet na odległość, łącząc je dość długim odcinkiem zapętlonego RNA.
W tym przypadku dwie maszyny molekularne zachowują się jak para alpinistów uwiązanych długą liną. Lina jest na tyle luźna, aby zapobiec kolizjom ze sobą, ale jednocześnie wystarczająco napięta, aby każdy wspinacz mógł pomagać sobie nawzajem w razie potrzeby.
Zespół zaobserwował również, że transkrypcja jest wydajniejsza, gdy translacja zachodzi w tym samym czasie. Innymi słowy, gdy po aktywnej polimerazie RNA na tej samej cząsteczce RNA następuje postępujący rybosom, jej produktywność jest wyższa.
„To piękne móc obserwować, jak te procesy ze sobą współdziałają. Każda osoba pracująca w zespole wie, jak ważna jest współpraca” – powiedział Duss. „Jeśli każdy będzie próbował pracować sam, jego efektywność będzie znacznie niższa. Wygląda na to, że maszyny molekularne komórki też o tym wiedzą.”
Implikacje dla rozwoju antybiotyków
Nowe badanie opublikowano w czasopiśmie Natura.
Chociaż badanie to skupiało się na izolowanych cząsteczkach w sztucznym układzie, Grupa Duss przygotowuje się obecnie do rozszerzenia swojej wiedzy na temat tego procesu na żywe komórki. W ramach niedawno przyznanego grantu ERC Consolidator Grant planują także uwzględnić w badaniu dodatkowe procesy komórkowe, aby sprawdzić, czy w koordynacji „wspinaczki” uczestniczy więcej niż dwóch partnerów.
Rzucenie światła na działanie podstawowych mechanizmów komórkowych u bakterii toruje drogę do opracowania nowych sposobów zwalczania patogenów bakteryjnych w czasach, gdy oporność na antybiotyki stanowi ważny problem zdrowotny. Naukowcy mogą potencjalnie wyjść poza standardowe antybiotyki i zapobiegać problemom związanym z opornością, współpracując na rzecz dwóch maszyn komórkowych, a nie tylko jednej.
„Ta praca jest doskonałym przykładem znaczenia badań podstawowych w szerszym kontekście” – powiedział Duss. „Badania podstawowe pomagają nam zrozumieć, jak działa biologia, co następnie przekłada się na nowe odkrycia, takie jak nowatorskie leki, zaawansowane metody leczenia i lepsze możliwości”.
Odniesienie: „Śledzenie sprzężenia transkrypcji i tłumaczenia w czasie rzeczywistym”, Nusrat Shahin Qureshi i Olivier Duss, 4 grudnia 2024 r., Natura.
DOI: 10.1038/s41586-024-08308-w
