Nature：第一次直接在细胞内观察到主动翻译机制的原子级结构变化

EMBL的科学家们的新研究从原子细节上展示了抗生素是如何影响细菌内部蛋白质生产过程的。这项研究使用低温电子断层扫描技术来观察肺炎支原体翻译机制的动态，肺炎支原体是导致人类非典型肺炎的微小寄生细菌。

　　

   

   

图片:研究人员使用低温电子断层扫描技术来可视化抗生素是如何与细菌内部的核糖体结合的。    

图片来源:Isabel Romero Calvo/EMBL

每一个活的细胞都依赖蛋白质来运作，而蛋白质合成的过程——翻译——对生存至关重要。细菌也不例外，参与转译的分子机器是抗生素最常见的目标之一。

现在，科学家们第一次从原子细节上可视化了抗生素是如何影响细菌细胞内蛋白质生产过程的。这项研究发表在Nature杂志上，这也标志着科学家第一次直接在细胞内观察到主动翻译机制的原子级结构变化，而不是使用试管中的孤立分子。重要的是，这种方法使他们能够识别这些机器在细胞内相互“交谈”的机制。

这项研究是由来自马克斯-普朗克生物物理化学研究所(G?ttingen)、威康细胞生物学中心、爱丁堡大学和柏林技术学院(Universit?t Berlin)的研究人员合作进行的。这项研究还包括来自海德堡EMBL的Zimmermann-Kogadeeva和Bork小组的贡献，他们帮助研究人员进行生物信息学分析，以观察>4000代表性细菌的核糖体蛋白质的多样性。

微小细菌和分子机器

Mahamid和她的团队使用了一种叫做冷冻电子断层扫描(cryo-ET)的技术来进行研究。这种微小的细菌会引起人类的非典型肺炎，尽管它的大小只有万分之一毫米，但它却拥有一种功能完备的蛋白质合成机制。

“我们选择支原体因为它们是最小最小的活细胞之一，被广泛用作系统生物学和合成生物学研究的模型细胞，”Mahamid团队的博士后、该研究的第一作者 Liang Xue说。

Cryo-ET允许研究人员使用电子显微镜对快速冷冻的生物样本拍摄一系列图像，并将得到的图像组合成细胞的三维视图——有点像小型mri机器。“有了从原始保存的细胞中获得的大规模低温et数据，就有可能捕捉到分子机器在活动中不同状态的高分辨率快照，并将它们组合成电影，”Mahamid说。

一个最突出的结构当我们看低温et图像时支原体细胞是微小的黑色斑点，这些是核糖体。“核糖体是最古老的大分子机器之一，它可能在细胞出现之前就已经存在了，”薛教授说。核糖体是参与蛋白质转译的主要分子机器，存在于从细菌到人类的所有细胞中。

Mahamid小组的方法不仅使他们能够发现和计数细菌内部的核糖体，而且还能以原子分辨率看到它们的结构。通过研究大量在其活动周期的不同阶段被“冻结”的核糖体，科学家们可以破译核糖体结构在蛋白质合成过程中的变化。不仅如此，他们还可以在细胞内的三维空间中定位核糖体，这使他们能够识别翻译过程是如何在空间上组织的。

Xue说，“在活细胞内，核糖体的功能是高度互联的系统，而不是单个的分子机器。我们揭示了核糖体的新特征和细胞中不同的转译反应路径。”

抗生素在行动

最重要的是，利用低温et技术，研究人员可以观察到抗生素进入细胞并与核糖体结合时会发生什么。例如，他们可以证实两种广谱抗生素氯霉素和大霉素结合在核糖体的不同位置，破坏蛋白质合成过程的不同步骤。这在对分离核糖体的研究中已经得到了预测，但从未在实际的细菌细胞中观察到过。

Xue说，“当我们第一次看到药物分子与细胞内的核糖体结合时，这是非常令人兴奋的，但更令人兴奋的是，我们发现抗生素处理过的细胞中的核糖体群在功能、结构和空间上都发生了根本性的重塑。”

研究人员观察到，核糖体和细胞内其他复合体之间的相互作用在药物的作用下发生了变化，这表明抗生素的作用可能远远超出它所结合的特定复合体。“一方面，这可以帮助理解抗生素的脱靶效应，也可能有助于设计抗生素的组合，以提高它们的效率，”Mahamid说。

Mahamid小组继续利用低温et的力量来研究基本的生物过程。“我们能够为这个极其简单的模型系统所做的，原则上适用于更复杂的模型，”Mahamid说。“例如，在我们的团队中，我们研究病毒和它们的人类细胞宿主之间的相互作用，人类多能干细胞的组织和核糖体的功能，甚至是我们的合作者和我们从癌症患者直接提取的细胞中培养的大型多细胞3D类器官。”

文章标题

Visualizing translation dynamics at atomic detail inside a bacterial cell