科学家们想象抗生素在致病细菌中的作用

每个活细胞都依赖蛋白质才能发挥作用，而蛋白质合成过程——翻译——对生存至关重要。细菌也不例外，参与翻译的分子机器是抗生素最常见的目标之一。

现在，由海德堡EMBL的JuliaMahamid小组领导的科学家们第一次以原子细节可视化了抗生素如何影响细菌细胞内蛋白质生产的过程。这项发表在《自然》杂志上的研究也标志着科学家们首次直接在细胞内观察到主动翻译机器的原子级结构变化，而不是在试管中使用孤立的分子。重要的是，这种方法使他们能够识别这些机器用来在细胞内相互“交谈”的机制。

该研究是与来自哥廷根马克斯普朗克生物物理化学研究所、爱丁堡大学威康细胞生物学中心和柏林工业大学的研究人员合作进行的。该研究还涉及EMBLHeidelberg的Zimmermann-Kogadeeva和Bork小组的贡献，他们帮助研究人员进行生物信息学分析，以观察超过4000种代表性细菌的核糖体蛋白的多样性。

Mahamid和她的团队是使用称为低温电子断层扫描(cryo-ET)的技术研究肺炎支原体的专家。这种会导致人类非典型肺炎的微小细菌具有功能齐全的蛋白质合成机制，尽管它的大小只有约万分之一毫米。

“我们选择支原体进行研究是因为它们是最小和最小的活细胞之一，并且已被广泛用作系统生物学和合成生物学研究中的模型细胞，”Mahamid小组的博士后和第一作者梁雪说。研究。

Cryo-ET允许研究人员使用电子显微镜拍摄快速冷冻的生物样本的连续图像，并将所得图像组合成细胞的3D视图——有点像迷你MRI机器。“利用来自原始保存细胞的大规模冷冻ET数据，可以捕获分子机器运行中不同状态的高分辨率快照，并将它们组合成电影，”Mahamid说。

当人们查看支原体细胞的冷冻ET图像时，最突出的结构之一是微小的黑色斑点-这些是核糖体。“核糖体是最古老的大分子机器之一，它甚至可能在细胞出现之前就已经存在，”薛说。核糖体是参与蛋白质翻译的主要分子机器，它们存在于从细菌到人类的所有细胞中。

Mahamid小组的方法使他们不仅能够发现和计数细菌内部的核糖体，而且还能以原子分辨率查看它们的结构。通过研究在其活动周期的不同阶段“冻结”的大量核糖体，科学家们可以破译核糖体结构在蛋白质合成过程中如何变化。不仅如此，他们还可以将核糖体定位在细胞内的三维空间中，这使他们能够确定翻译过程是如何在空间上组织的。

“在活细胞内，核糖体作为高度互连的系统发挥作用，而不是单个分子机器，”薛说。“我们揭示了核糖体的新特征和细胞中不同的翻译反应路径。”

抗生素在行动

至关重要的是，使用cryo-ET，研究人员可以观察当抗生素进入细胞并与核糖体结合时会发生什么。例如，他们可以确认两种广谱抗生素氯霉素和壮观霉素与核糖体上的不同位点结合并破坏蛋白质合成过程的不同步骤。对分离的核糖体的研究已经预测到了这一点，但以前从未在实际细菌细胞内观察到这种情况。

“当我们第一次能够看到药物分子与细胞内的核糖体结合时，这是非常令人兴奋的，”薛说。“但当我们发现抗生素处理的细胞中的核糖体群在功能、结构和空间上都发生了根本性的改变时，更令人兴奋。”

研究人员观察到，核糖体和细胞中其他复合物之间的相互作用会随着药物的作用而改变，这表明抗生素的作用可能远远超出其结合的特定复合物。“一方面，这有助于了解抗生素的脱靶效应，也可能有助于设计抗生素组合以提高其效率，”Mahamid说。

Mahamid小组继续利用低温ET的力量来研究基本的生物过程。“我们能够为这个极其简单的模型系统做的事情原则上适用于更复杂的模型，”Mahamid说。“例如，在我们的小组中，我们研究了病毒与其人类细胞宿主之间的相互作用、人类多能干细胞的组织及其核糖体的功能，甚至是我们的合作者和我们从直接取自的细胞中生长的大型多细胞3D类器官。癌症患者。”