Археи модифицируют рибосомальную РНК для выживания в экстремальной жаре

Гипертермофильные археи — настоящие мастера выживания. Они процветают в кипящих горячих источниках и гидротермальных жерлах — средах, смертельных почти для всех других форм жизни.

Исследователи из Немецкого центра архей и Центра биохимии Университета Регенсбурга в составе международной команды обнаружили ещё один ключ к их необычной устойчивости: эти микроорганизмы могут специфически адаптировать свои белковые фабрики, рибосомы, к экстремальным температурам.

Исследование, опубликованное в журнале Cell, показывает, что они делают это, модифицируя свою рибосомальную РНК — центральный строительный блок рибосом, — тем самым поддерживая стабильность производства белка в экстремальных условиях.

Достижения в обнаружении модификаций РНК

Это исследование основано на работе израильской команды под руководством Шраги Шварца, разработавшей новую технологию Pan-Mod-seq. Эта технология впервые позволяет систематически и одновременно обнаруживать изменения РНК в самых разных типах клеток — от простых бактерий до архей, дрожжевых клеток и клеток человека.

Доктор Феликс Грюнбергер поясняет: «В более ранней работе мы уже могли отслеживать, когда и где в рибосомальную РНК включается единственная известная модификация. С помощью Pan-Mod-seq исследователи теперь могут идентифицировать большое количество модификаций РНК параллельно и с высокой пропускной способностью — возможность, немыслимая до недавнего времени».

Новая технология оказалась особенно эффективной благодаря экспертизе Регенсбурга в биологии РНК, уникальной коллекции штаммов и специализированным знаниям в культивировании экстремофильных архей. Для этого исследования удалось использовать мировых рекордсменов среди гипертермофильных архей, которые оптимально растут при температурах до 113°C.

Как археи адаптируются к экстремальной жаре

Результат: у бактерий, стандартных архей и высших организмов, таких как клетки человека, эти модификации остаются в основном неизменными. Чрезвычайно теплолюбивые археи, однако, выполняют молекулярную ювелирную работу: с одной стороны, плотность модификаций исключительно высока, а с другой — около половины модификаций адаптируются динамически: они активно добавляются или удаляются в зависимости от температуры.

Изображения криоэлектронной микроскопии впечатляюще показывают, как эти химические изменения стабилизируют рибосомы, формируя дополнительные стабилизирующие контакты в белково-РНК сети.

Доктор Роберт Райхельт сообщает: «Мы смогли доказать, что без этих молекулярных адаптаций гипертермофильные археи больше не могут расти в своей экстремальной среде».

Профессор, д-р Дина Гройманн, заведующая кафедрой микробиологии и директор Немецкого центра архей, комментирует: «Это революционное открытие стало возможным только благодаря тесному сотрудничеству международной и междисциплинарной команды из Израиля, США, Японии, Франции и Германии, которая собрала все части головоломки. Меня особенно интригует уникальное положение наших гипертермофильных архей — открытие, прокладывающее путь для новых направлений исследований».

Значение для медицины и биотехнологии

Результаты интересны не только для микробиологии. Модификации РНК также играют центральную роль в современной медицине — например, в мРНК-вакцинах. Здесь химические модификации специально добавляются в РНК, чтобы повысить стабильность вакцины и избежать нежелательных иммунных реакций.

Лучшее понимание того, как экстремальные микробы «подгоняют» свою РНК, может дать ценные идеи для целенаправленного дизайна стабильных молекул РНК в биомедицинских приложениях.