Новые изображения запечатлели рибосомы клетки в работе, что может помочь в молекулярной войне с болезнями
Исследователи из Калифорнийского университета в Беркли впервые зафиксировали неуловимые наномасштабные движения работающих рибосом, проливая свет на то, как эти клеточные фабрики принимают генетические инструкции и аминокислоты для производства белков.
Рибосомы, которых миллионы в одной человеческой клетке, долгое время считались «чёрными ящиками» в молекулярной биологии. «Мы знаем, что входит в рибосомы и что выходит из них, но мы только начинаем узнавать о том, что происходит между этими этапами», — сказал главный исследователь Джейми Кейт.
Достижение, описанное в выпуске журнала Science от 21 августа, может в конечном итоге привести к значительным успехам в борьбе с болезнями человека.
Многие инфекционные заболевания связаны с рибосомальной войной между людьми и бактериальными или вирусными захватчиками. Важные антибиотики, такие как спектиномицин, капреомицин и аминогликозиды, используют структурные различия между человеческими и бактериальными рибосомами для избирательной атаки на бактерии. Некоторые вирусы, такие как полиомиелит и гепатит C, захватывают человеческие рибосомы, заставляя их производить белки, полезные для вирусов.
«Внутри рибосомы антибиотики и вирусы используют химию для борьбы с болезнью или её продвижения», — сказал Кейт. «Но какую именно химию? Короткий ответ — нам ещё многое предстоит узнать. Эти знания могут привести к созданию более эффективных антибиотиков или новых методов лечения таких заболеваний, как гепатит C».
В процессе производства белка генетический код для создания белков находится внутри двухцепочечной ДНК клетки. Когда клетке нужно произвести больше белков, ДНК расстёгивается на две отдельные цепи, обнажая код, чтобы он мог быть скопирован одноцепочечной матричной РНК (mRNA). mRNA доставляет этот код к рибосоме, которая каким-то образом считывает инструкции, добавляя каждую аминокислоту к растущей белковой цепи.
В то же время другие молекулы РНК, называемые транспортной РНК (tRNA), доставляют к рибосоме аминокислоты — сырьевые строительные блоки для сборки белка.
Чтобы выяснить движения рибосомы при взаимодействии с mRNA и tRNA, исследователи использовали рентгеноструктурный анализ для получения детальной картины рибосомы (шириной всего 21 нанометр) из бактерии Escherichia coli. Метод позволил зафиксировать рибосому в действии — сложная задача, поскольку она действует быстро, добавляя 20 новых аминокислот к белковой цепи каждую секунду.
«Учёные раньше думали, что рибосома совершает простое двухстадийное храповое движение, вращаясь вперед и назад при взаимодействии с mRNA и tRNA», — сказал Кейт. «Мы запечатлели изображения рибосомы на промежуточных стадиях между вращениями, показывающие, что в этом храповом механизме есть как минимум четыре шага».
«Мы подозреваем, что рибосома меняет свою конформацию в стольких шагах, чтобы иметь возможность взаимодействовать с относительно большими tRNA, не позволяя двум сегментам рибосомы разлетаться», — сказал Кейт. «Это намного сложнее, чем простой храповой механизм в трещотке».
Кейт отметил, что хотя это исследование стало крупным достижением в раскрытии «чёрного ящика» функции рибосомы, ещё предстоит раскрыть гораздо больше деталей. Усовершенствования методов визуализации в следующем десятилетии должны позволить исследователям выйти за рамки снимков, сделанных в этом исследовании, к высокодетализированным фильмам о движениях рибосомы.
«Я с нетерпением жду возможности создать фильм о рибосоме с достаточным разрешением и количеством кадров в миллисекунду, чтобы увидеть, что происходит на молекулярном уровне», — сказал Кейт. «Было бы здорово наблюдать и действительно понимать, как рибосома создаёт белок, как антибиотики мешают бактериальной рибосоме или почему цепочка генетического кода в вирусе гепатита C так эффективно захватывает человеческую рибосому. Нам ещё предстоит пройти долгий путь, но мы усердно работаем».