在活的細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)部觀察抗生素如何發(fā)揮作用

每個(gè)活細(xì)胞都依賴蛋白來(lái)運(yùn)作，而蛋白的合成過(guò)程--翻譯--對(duì)生存至關(guān)重要。細(xì)菌也不例外，參與翻譯的分子機(jī)器是抗生素的常見(jiàn)作用靶標(biāo)之一。

如今，在一項(xiàng)新的研究中，來(lái)自德國(guó)海德堡歐洲分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室、馬克斯-普朗克生物物理化學(xué)研究所、柏林工業(yè)大學(xué)和愛(ài)丁堡大學(xué)等研究機(jī)構(gòu)的研究人員從原子細(xì)節(jié)上可視化觀察了抗生素如何影響細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)的蛋白生產(chǎn)過(guò)程。這項(xiàng)研究也標(biāo)志著科學(xué)家們?cè)诩?xì)胞內(nèi)直接觀察到活躍的翻譯復(fù)合物（translation machinery）在原子水平上的結(jié)構(gòu)變化。重要的是，這種方法使他們能夠確定這這些翻譯復(fù)合物在細(xì)胞內(nèi)用來(lái)相互“交談”的機(jī)制。他們還進(jìn)行了生物信息學(xué)分析，以觀察核糖體蛋白的多樣性在4000多種代表性細(xì)菌中是什么樣的。

微小的細(xì)菌和分子機(jī)器

“我們選擇支原體進(jìn)行研究，因?yàn)樗鼈兪切〉幕罴?xì)胞之一，并被廣泛用作系統(tǒng)生物學(xué)和合成生物學(xué)研究中的模型細(xì)胞?！?/span>

cryo-ET允許科學(xué)家們使用電子顯微鏡對(duì)閃凍的生物樣本進(jìn)行連續(xù)成像，并將所得到的圖像組合起來(lái)，形成細(xì)胞的三維視圖---有點(diǎn)像一臺(tái)微型磁共振成像機(jī)器。

Mahamid表示：“有了來(lái)自原始保存的細(xì)胞的大規(guī)模cryo-ET數(shù)據(jù)，就有可能捕捉到一種分子機(jī)器在發(fā)揮作用時(shí)不同狀態(tài)下的高分辨率圖片，并將它們組合成一部影片?！?/span>

當(dāng)人們看支原體細(xì)胞的cryo-ET圖片時(shí)，突出的結(jié)構(gòu)之一是微小的黑色斑點(diǎn)--這些是核糖體。Xue說(shuō)：“核糖體是古老的大分子機(jī)器之一，甚至可能在細(xì)胞出現(xiàn)之前就已經(jīng)存在。”核糖體是參與蛋白翻譯的主要分子機(jī)器，它們存在于從細(xì)菌到人類的所有細(xì)胞中。

Mahamid團(tuán)隊(duì)的方法使他們不僅能夠發(fā)現(xiàn)和計(jì)算細(xì)菌內(nèi)的核糖體，還能在原子分辨率下觀察到它們的結(jié)構(gòu)。通過(guò)研究大量處于活動(dòng)周期不同階段的“凍存”核糖體，他們可以破解核糖體結(jié)構(gòu)在蛋白合成過(guò)程中如何變化。不僅如此，他們還可以在細(xì)胞內(nèi)的三維空間中定位核糖體，這使他們能夠確定翻譯過(guò)程在空間上是如何組裝的。

Xue說(shuō)：“在活細(xì)胞內(nèi)，核糖體作為高度相互關(guān)聯(lián)的系統(tǒng)發(fā)揮作用，而不是作為單個(gè)分子機(jī)器發(fā)揮作用。我們揭示了核糖體的新特征和細(xì)胞中多樣化的翻譯反應(yīng)路徑。”

發(fā)揮作用時(shí)的抗生素

至關(guān)重要的是，利用cryo-ET，這些作者可以觀察到當(dāng)抗生素進(jìn)入細(xì)胞并與核糖體結(jié)合時(shí)會(huì)發(fā)生什么。例如，他們可以證實(shí)兩種廣譜抗生素氯霉素（chloramphenicol）和大觀霉素（spectinomycin）與核糖體上的不同位點(diǎn)結(jié)合，破壞了蛋白合成過(guò)程的不同步驟。對(duì)分離的核糖體的研究已預(yù)測(cè)到了這一點(diǎn)，但以前從未在實(shí)際的細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)觀察到這種作用。

Xue說(shuō)：“當(dāng)我們第一次能夠看到藥物分子與細(xì)胞內(nèi)的核糖體結(jié)合時(shí)，這非常令人興奮。但是，當(dāng)我們發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)抗生素處理的細(xì)胞中的核糖體群體在功能上、結(jié)構(gòu)上和空間上受到重塑，這更令人激動(dòng)。”

這些作者觀察到，核糖體和細(xì)胞中其他復(fù)合物之間的相互作用在對(duì)藥物的反應(yīng)中發(fā)生了變化，這表明一種抗生素的影響可以遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出它所結(jié)合的特定復(fù)合物。Mahamid說(shuō)，“一方面，這可以幫助理解抗生素的脫靶效應(yīng)，也可能有助于設(shè)計(jì)抗生素的組合使用以提高其療效”。

Mahamid團(tuán)隊(duì)繼續(xù)利用cryo-ET的力量來(lái)研究基本的生物過(guò)程。

Mahamid說(shuō)：“我們能夠?yàn)檫@種極其簡(jiǎn)單的模型系統(tǒng)所做的事情，原則上適用于更復(fù)雜的模型。例如，在我們的團(tuán)隊(duì)中，我們研究病毒和它們的人類細(xì)胞宿主之間的相互作用，人類多能性干細(xì)胞的分布和它們的核糖體的功能，甚至是我們的合作者和我們利用從癌癥患者體內(nèi)直接提取的細(xì)胞培育出的大型多細(xì)胞三維類器官?！?/span>