观察抗生素在致病细菌内起作用

每个活细胞都依赖于蛋白质来发挥作用，蛋白质合成的过程-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靶标之一。

现在，由EMBL海德堡的JuliaMahamid小组领导的科学家首次在原子细节上可视化了抗生素如何影响细菌细胞内蛋白质生产过程。这项研究发表在《自然》杂志上，也标志着科学家首次观察到直接在细胞内的活性翻译机制中发生原子级结构变化，而不是在试管中使用分离的分子。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EMBL海德堡的齐默尔曼-科加迪耶娃和博克小组的贡献，他们帮助研究人员进行生物信息学分析，以观察核糖体蛋白质在>4000个代表性细菌中的多样性。

Mahamid和她的团队是使用一种称为冷冻电子断层扫描(cryo-ET)的技术研究肺炎支原体细菌的专家。这种微小的细菌在人类中引起非典型肺炎，具有全功能的蛋白质合成机制，尽管大小仅为万分之一毫米。

“我们选择支原体进行研究，因为它们是最小和最最小的活细胞之一，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小组博士后，该研究的第一作者梁雪说。

Cryo-ET允许研究人员使用电子显微镜拍摄闪光冷冻生物样品的连续图像，并将产生的图像组合成细胞的三维视图-有点像迷你MRI机器。“利用来自原始保存细胞的大量冷冻电子断层扫描数据，可以捕获分子机器不同状态的高分辨率快照，并将它们组合成一部电影，”Mahamid说。

当人们观察支原体细胞的冷冻ET图像时，最突出的结构之一是微小的深色斑点-这些是核糖体。“核糖体是最古老的大分子机器之一，甚至可能在细胞出现之前就已经存在了，”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可以发现和计数细菌内的核糖体，还可以在原子分辨率下看到它们的结构。通过研究在其活动周期的不同阶段“冷冻”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在空间上是如何组织的。

“在活细胞内，核糖体的功能是高度互联的系统，而不是单个分子机器，”薛说。“我们揭示了核糖体的新特征以及细胞中的各种翻译反应途径。

抗生素在起作用

至关重要的是，使用冷冻电子断层扫描，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大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。这是对分离的核糖体的研究预测的，但以前从未在实际细菌细胞内观察到作用。

“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，这非常令人兴奋，”薛说。“但当我们发现抗生素治疗细胞中的核糖体群体从根本上重塑时，这更加令人兴奋-功能，结构和空间。

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随着药物的变化而变化，这表明抗生素可以产生远远超出其结合的特定复合物的效果。“一方面，这可以帮助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。

马哈米德小组继续利用冷冻电子断层扫描的力量来研究基本的生物过程。“我们能够为这个非常简单的模型系统所做的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从癌症患者身上提取的细胞生长的大型多细胞3D类器官。