Рибосомы являются важным компонентом всех живых клеток. Часто называемые «фабриками молекулярных белков», они переводят генетическую информацию в цепочки связанных аминокислот, которые иначе известны как белки. Процесс биосинтеза белка одинаков во всех клетках, даже у бактерий (включая широко известную кишечную бактерию Escherichia coli).
Если этого не происходит, клетка умирает; одноклеточный организм (например, E. coli и другие бактерии) не могут выжить. Исследователи надеются использовать это обстоятельство для разработки новых антибиотиков. Потребность в этих новых лекарствах является не только результатом увеличения устойчивости к антибиотикам и появления и распространения новых патогенов с множественной лекарственной устойчивостью, но и потому, что новый класс антибиотических веществ появился давно.
Может быть разработан новый тип антибиотика, который препятствует образованию рибосом таким образом, чтобы подавлять их сборку.
"Это совпадение, что мы сейчас находимся в разгаре вирусной пандемии. Следующая пандемия может легко иметь бактериальное происхождение, потому что и устойчивость к бактериальным антибиотикам, и множественная лекарственная устойчивость быстро распространяются через видовые барьеры », – объясняет последний автор исследования, проф.
Доктор. Кристиан Спан, директор Института медицинской физики и биофизики Шарите. Он добавляет: «Поэтому долгосрочная цель наших фундаментальных исследований – внести свой вклад в разработку новых антибиотиков."Работая с коллегами из Центра молекулярной медицины Макса Дельбрука (MDC) в Берлине и Университета Констанца, исследователи Charite исследовали ранние стадии образования рибосом, чтобы определить точки в процессе, которые могут служить мишенями для новых антибактериальных и противомикробных препаратов.
Рибосомы состоят из двух субъединиц: одной большей субъединицы и одной меньшей.
В рамках своих последних усилий команда во главе с доктором. Райнер Николай из Института медицинской физики и биофизики Шарите сосредоточился на изучении природы и развития более крупной рибосомной субъединицы в бактерии E.кишечная палочка.
В надежде определить потенциальную мишень для новых антибиотиков, исследователи хотели выделить и визуализировать стадии-предшественники этой более крупной субъединицы. Для этого они хотели использовать субъединицу в чистом виде, т.е.е. как можно ближе к своему естественному состоянию. Впервые исследователям удалось не только выделить один такой предшественник из бактериальных клеток (в данном случае E. coli), но также визуализируя его с помощью криоэлектронной микроскопии с разрешением, близким к атомному. «Теперь у нас есть лучшее понимание того, как большая бактериальная рибосомная субъединица развивается на молекулярном уровне, хотя наше понимание остается далеко не полным», – говорит первый автор Dr.
Николай.
Исследовательская группа выбрала минимально инвазивный протокол, чтобы свести к минимуму необходимость манипулирования бактериальной клеткой. Один из ключевых агентов в процессе образования рибосом, белок ObgE, был помечен с помощью так называемой «метки Strep». Этот шаг включает в себя процедуру «нокаута гена» – встраивание генетической информации в бактериальный геном.
Обработанная таким образом бактерия будет производить только отмеченный ObgE. После небольшой обработки клетки этот ObgE можно затем визуализировать с помощью электронного микроскопа. Маркировка Strep позволяет исследователям впервые изучить весь комплекс. Это связано с тем, что вспомогательный белок ObgE эффективно несет на своей спине предшественника более крупной субъединицы рибосомы.
Результаты стали неожиданностью, поскольку доктор Николай объясняет: «Мы обнаружили, что этот предшественник покрыт множеством вспомогательных белков, которые либо взаимодействуют, либо напрямую связываются друг с другом. Белок ObgE играет ключевую роль в этом процессе, эффективно управляя и координируя его."Это может стать мишенью для новых лекарств, которые могут остановить рост бактерий, подавляя сборку функциональных рибосом.
Команда хочет использовать аналогичные стратегии, чтобы получить более полное представление о развитии бактериальных рибосомных субъединиц и улучшить свое понимание соответствующих биологических процессов на молекулярном уровне. Предыдущие исследования, проведенные в Шарите и Институте молекулярной генетики Макса Планка, дали ценную информацию о фундаментальной структуре рибосом и различных этапах процесса созревания, которые должны пройти эти фабрики клеточных белков.
Хотя все эти более ранние выводы были основаны на исследованиях in vitro, исследователи знали, что образование большой хромосомной субъединицы можно наблюдать только в живой клетке. Поэтому последний шаг в их усилиях стал решающим: чтобы идентифицировать новые клеточные мишени для лекарств, необходимо понять, чем процесс образования рибосом, наблюдаемый у бактерий, отличается от процесса в клетках человека. «Нам удалось добиться определенного прогресса в этом отношении», – говорит д-р.
Николай. «Мы смогли выявить существование как консервативных, так и дивергентных эволюционных особенностей между прокариотами – такими как бактерии – и эукариотами – организмами, генетическая информация которых содержится в ядре клетки.«Эти результаты важны, если мы хотим нацелить функции, специфичные для бактерий, а также защитить человеческие клетки от нежелательных побочных эффектов.