运动中的分子:研究人员捕捉到了六种运动中的核糖体的新结构

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2022 May. 20

国田纳西州的孟菲斯。圣裘德儿童研究医院的科学家们利用单分子荧光共振能量转移(smFRET)和低温电子显微镜(cryo-EM)捕获了核糖体的六个新结构及其精确的定向运动。关于这项工作的一篇论文今天发表在《自然》杂志上。

核糖体是细胞的细胞器，负责解码信使RNA以制造蛋白质。许多抗生素以核糖体为靶点;因此，更好地理解它的工作原理对药物开发具有重要意义。

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圣犹大儿童研究医院的迈克尔·霍尔姆博士和艾米丽·伦德莱特博士是《自然》杂志新出版物的合著者。

“科学上的一个基本问题是分子如何利用热能和化学能来执行它们不同的功能，”通讯作者Scott Blanchard博士说，他是圣裘德结构生物学。“生命真正的奥秘之一是弄清楚分子如何在不同构象之间有序地导航，以产生定向运动分析和工作。”

协同技术动力研究

DNA编码信息的表达使生命成为可能。DNA首先转录成RNA;然后RNA被翻译成蛋白质。核糖体是负责这第二步的分子机器。它解码信使RNA并制造蛋白质。重要的是，核糖体负责所有生命形式的细胞蛋白质的合成。

当核糖体开始工作时，它会移动，经历所谓的构象变化。研究人员想要可视化，从而更好地理解沿着信使RNA的精确运动是如何发生的，以便它能够制造蛋白质。

研究人员同时使用了smFRET和低温电子显微镜。这项工作强调了单分子技术的实用性和精确性，以及这些成像技术如何共同绘制出分子及其相关运动的更完整的图像。低温电子显微镜作为一种强大的结构生物学工具有着悠久的历史，近年来其分辨率得到了显著提高。smFRET是一种更新的技术，它提供动态结构信息，使研究人员能够在单个分子实时工作的同时可视化它们是如何运动的。

布兰查德说:“我们的工作集成了单分子数据，我们通过低温电子显微镜(一种静态结构方法)实时获取分子运动信息。”“smFRET具有非常强大的能力，可以用分子的方式揭示事件的有序序列。”

利用这些技术，研究人员捕获了6种细菌核糖体复合体的高分辨率结构，包括信使RNA、转移RNA和延伸因子EF-G(一种阅读RNA的酶)。这项工作首次揭示了EF-G如何参与核糖体复合体。

“smFRET表明的一件事是，你需要在结构生物学中加入时间和变化的维度，才能真正理解分子功能和药物作用，”第一作者，圣犹德结构生物学的Emily Rundlet博士说。

了解抗生素有助于药物开发

用于治疗细菌感染的抗生素针对核糖体。这使得我们能够了解核糖体是如何工作的，以及它是如何与药物化合物相互作用的，这对于改进新疗法的设计和开发至关重要。

“这些发现为研究抗生素如何在分子尺度上起作用提供了背景，它们是如何精确地抑制核糖体机制的功能，以介导传染病的临床治疗，”圣犹大结构生物学的作者Mikael Holm博士说。

Rundlet说:“我们从工作中学到的教训之一是，环境决定一切。”“分子是动态的;你需要观察药物实际阻止或稳定的过渡状态，以了解药物结合位点的完整结构，这可以告知药物化学努力，使药物更有效。”

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