Каждая живая клетка полагается на белки для того, чтобы функционировать, и процесс синтеза белка — трансляции — имеет решающее значение для выживания. Бактерии не являются исключением, поскольку молекулярные машины, участвующие в трансляции, являются одной из наиболее распространенных мишеней для антибиотиков.

Теперь, впервые, ученые во главе с группой Джулии Махамид из EMBL Heidelberg визуализировали в мельчайших деталях, как антибиотики влияют на процесс производства белка внутри бактериальных клеток. Это исследование, опубликованное в журнале Nature, также знаменует собой первый случай, когда ученые наблюдали структурные изменения на атомном уровне в механизме активной трансляции непосредственно внутри клетки, а не с использованием изолированных молекул в пробирке. Важно отметить, что этот подход позволил им идентифицировать механизмы, которые такие машины используют для "общения" друг с другом внутри клеток.

Исследование было проведено в сотрудничестве с исследователями из Института биофизической химии им. Макса Планка, Геттинген, Центра клеточной биологии Wellcome, Эдинбургского университета и Технического университета Берлина. В исследовании также приняли участие группы Циммермана-Когадеевой и Борка из EMBL Heidelberg, которые помогли исследователям провести биоинформатический анализ, чтобы увидеть, как выглядит разнообразие рибосомных белков у более чем 4000 репрезентативных бактерий.

Крошечные бактерии и молекулярные машины

Махамид и ее команда являются экспертами в изучении бактерии Mycoplasma pneumoniae с использованием метода, называемого криоэлектронной томографией (cryo-ET). Эта крошечная бактерия, вызывающая атипичную пневмонию у людей, обладает полностью функциональным механизмом синтеза белка, несмотря на то, что ее размер составляет всего около десятитысячной доли миллиметра.

"Мы выбрали микоплазму для наших исследований, потому что они являются одними из самых маленьких и минимальных живых клеток и широко использовались в качестве модельных клеток в исследованиях системной биологии и синтетической биологии", - сказал Лян Сюэ, постдок в группе Махамида и первый автор исследования.

Cryo-ET позволяет исследователям получать последовательные изображения биологических образцов, замороженных во флэш-памяти, с помощью электронного микроскопа и комбинировать полученные изображения для формирования трехмерного изображения клетки - что—то вроде мини-МРТ-аппарата. "С помощью крупномасштабных данных КРИОЭТ из первично сохраненных клеток можно сделать снимки с высоким разрешением различных состояний молекулярной машины в действии и объединить их в видеофильм", - сказал Махамид.

Одной из наиболее заметных структур, когда смотришь на криоэт-изображение микоплазменной клетки, являются крошечные темные сгустки - это рибосомы. "Рибосома - одна из самых древних макромолекулярных машин, которая, возможно, существовала еще до появления клеток", - сказал Сюэ. Рибосомы являются основными молекулярными машинами, участвующими в трансляции белков, и они присутствуют во всех клетках — от бактерий до человека.

Подход группы Махамида позволил им не только обнаружить и подсчитать рибосомы внутри бактерий, но и увидеть их структуру с атомным разрешением. Изучая большое количество рибосом, "замороженных" на разных стадиях цикла их активности, ученые смогли расшифровать, как изменяется структура рибосомы в процессе синтеза белка. Не только это, но они также смогли локализовать рибосомы в трехмерном пространстве внутри клетки, что позволило им определить, как процесс трансляции организован пространственно.

"Внутри живых клеток рибосомы функционируют как сильно взаимосвязанные системы, а не как отдельные молекулярные машины", - сказал Сюэ. "Мы выявили новые особенности в рибосомах и разнообразные пути реакции трансляции в клетках".

Антибиотики в действии

Важно отметить, что с помощью крио-ЭТ исследователи могли наблюдать, что происходит, когда антибиотики попадают в клетку и связываются с рибосомами. Например, они могли бы подтвердить, что два антибиотика широкого спектра действия хлорамфеникол и спектиномицин связываются с разными участками рибосомы и нарушают различные этапы процесса синтеза белка. Это было предсказано исследованиями изолированных рибосом, но никогда ранее не наблюдалось в действии внутри реальной бактериальной клетки.

"Это было очень захватывающе, когда мы впервые смогли увидеть, как молекула лекарства связывается с рибосомой внутри клетки", - сказал Сюэ. "Но это было еще более захватывающе, когда мы обнаружили, что популяции рибосом в обработанных антибиотиками клетках коренным образом изменились - функционально, структурно и пространственно".

Исследователи заметили, что взаимодействия между рибосомами и другими комплексами в клетке изменились в ответ на препарат, предполагая, что антибиотик может оказывать эффект, выходящий далеко за рамки конкретного комплекса, с которым он связывается. "С одной стороны, это может помочь понять побочные эффекты антибиотиков, а также может помочь разработать комбинации антибиотиков для повышения их эффективности", - сказал Махамид.

Группа Махамида продолжает использовать возможности крио-ЭТ для изучения фундаментальных биологических процессов. "То, что мы можем сделать для этой изысканно простой модельной системы, в принципе применимо к гораздо более сложным моделям", - сказал Махамид. "Например, в нашей группе мы изучаем взаимодействие между вирусами и их клетками-хозяевами, организацию плюрипотентных стволовых клеток человека и функционирование их рибосом и даже большие многоклеточные 3D-органоиды, которые наши сотрудники и мы выращиваем из клеток, взятых непосредственно у больных раком".