從原子細節(jié)上觀察抗生素如何作用在致病菌

眾所周知， 細胞 是構(gòu)成生物體的基本結(jié)構(gòu)和功能單位；而 蛋白質(zhì) 就如同細胞的“靈魂”，每個活細胞都要依賴蛋白質(zhì)來發(fā)揮功能。蛋白質(zhì)的合成過程（翻譯）對細胞的生存至關重要。從細菌到人類的所有生物細胞中都存在 核糖體 ，這些古老的大分子機器（可能在細胞出現(xiàn)之前就已經(jīng)存在）是蛋白質(zhì)合成的分子工廠。

核糖體也是 抗生素 重要的靶點之一。過去的方法已經(jīng)確定了許多抗生素通過穩(wěn)定過程中的中間產(chǎn)物來延遲翻譯，但目前還缺乏對原生細胞環(huán)境中翻譯過程的詳細結(jié)構(gòu)描述。

支原體 （Mycoplasma）是小的原核細胞微生物，沒有細胞壁，呈絲狀或分枝狀。它們廣泛存在于自然界。已知有5種致病性支原體，其中 肺炎支原體 （M.pneumoniae）可引起肺炎。雖然個頭兒只有不到萬分之一毫米，但這種極小的細菌具有功能齊全的蛋白質(zhì)合成機制。因此，支原體在系統(tǒng)生物學和合成生物學研究中被廣泛用作模型細胞。

如今， Cryo ET （低溫電子斷層掃描）技術(shù)的誕生已經(jīng)在生命科學領域帶來了一場分辨率革命。該技術(shù)允許研究人員使用電子顯微鏡對快速冷凍的生物樣品進行連續(xù)成像，并將結(jié)果圖像組合成細胞的三維視圖。它就如同迷你版的磁共振成像（MRI）機器。此前，科學家們通過Cryo ET已經(jīng)在細胞內(nèi)觀察到主動翻譯的核糖體，不過生成的圖像僅限于納米尺度的分辨率。

在這項新研究中，該團隊開發(fā)了冷凍ET的圖像處理算法。?他們利用來自原始保存細胞的大規(guī)模冷凍ET數(shù)據(jù)，捕捉分子機器不同狀態(tài)下的高分辨率快照，并將其合成影像。

當肺炎支原體細胞的冷凍ET圖像呈現(xiàn)在眼前時，突出的結(jié)構(gòu)之一是微小的黑色斑點，這些就是核糖體。

這種新方法不僅使研究人員能發(fā)現(xiàn)和計數(shù)細菌內(nèi)部的核糖體，而且還能以原子級的分辨率觀察其結(jié)構(gòu)。 通過研究大量在活動周期不同階段“凍結(jié)”的核糖體，研究人員破譯了核糖體結(jié)構(gòu)在蛋白質(zhì)合成過程中是如何變化的。不僅如此，他們還將核糖體定位在細胞內(nèi)的三維空間，以確定翻譯過程是如何在空間上組織的。

在活細胞內(nèi)，核糖體作為高度互聯(lián)的系統(tǒng)運轉(zhuǎn)，而不是單個分子機器。該研究揭示了核糖體的新特征和細胞中不同的翻譯反應途徑。

重要的是，使用cryo-ET，研究人員可以觀察到當抗生素進入細胞并與核糖體結(jié)合時會發(fā)生什么。他們確認了兩種廣譜抗生素氯霉素和壯觀霉素與核糖體上的不同位點結(jié)合并破壞蛋白質(zhì)合成過程的不同步驟。此前對分離核糖體的研究已經(jīng)預測到了這一點，但還從未在實際細菌細胞內(nèi)觀察到這種情況。

研究人員觀察到，被抗生素處理的細胞中的核糖體在功能、結(jié)構(gòu)和空間上都發(fā)生了根本性的改變。核糖體與細胞內(nèi)其他復合物之間的相互作用隨著藥物的作用而改變，這表明抗生素的作用可能遠遠超出與核糖體結(jié)合的特定復合物。

這些發(fā)現(xiàn)有助于科學家們了解抗生素的非靶向效應，同時為設計更有效的抗生素組合提供了基礎。

總之，這個新方法建立了一個框架來分析未來細胞過程的結(jié)構(gòu)動力學，有助于在原子細節(jié)上構(gòu)建功能性細胞模型。