Ogni cellula vivente si basa sulle proteine ​​per funzionare e il processo di sintesi proteica, la traduzione, è fondamentale per la sopravvivenza. I batteri non fanno eccezione, con le macchine molecolari coinvolte nella traduzione che sono uno degli obiettivi più comuni per gli antibiotici.

Ora, per la prima volta, gli scienziati guidati dal gruppo di Julia Mahamid all'EMBL Heidelberg hanno visualizzato in dettaglio atomico come gli antibiotici influenzano il processo di produzione delle proteine ​​all'interno delle cellule batteriche. Questo studio, pubblicato su Natura, segna anche la prima volta in cui gli scienziati hanno osservato cambiamenti strutturali a livello atomico nel meccanismo di traslazione attivo direttamente all'interno di una cellula, anziché utilizzare molecole isolate in una provetta. È importante sottolineare che questo approccio ha consentito loro di identificare i meccanismi utilizzati da tali macchine per "parlare" tra loro all'interno delle cellule.

Lo studio è stato condotto in collaborazione con ricercatori del Max-Planck-Institute for Biophysical Chemistry, Gottinga, del Wellcome Center for Cell Biology, dell'Università di Edimburgo e della Technische Universität Berlin. La ricerca ha coinvolto anche i contributi dei gruppi Zimmermann-Kogadeeva e Bork dell'EMBL Heidelberg, che hanno aiutato i ricercatori a svolgere analisi bioinformatiche per osservare l'aspetto della diversità delle proteine ​​ribosomiali in>4000 batteri rappresentativi.

Batteri minuscoli e macchine molecolari

Mahamid e il suo team sono esperti nello studio del batterio Mycoplasma pneumoniae utilizzando una tecnica chiamata tomografia crioelettronica (crio-ET). Questo minuscolo batterio, che causa la polmonite atipica nell'uomo, ha un meccanismo di sintesi proteica perfettamente funzionante, nonostante abbia una dimensione di appena un decimillesimo di millimetro.

"Abbiamo scelto il Mycoplasma per i nostri studi perché sono tra le cellule viventi più piccole e minime e sono state ampiamente utilizzate come cellule modello negli studi di biologia dei sistemi e di biologia sintetica", ha affermato Liang Xue, postdoc nel gruppo Mahamid e primo autore di lo studio.

Cryo-ET consente ai ricercatori di acquisire immagini seriali di campioni biologici congelati mediante flash utilizzando un microscopio elettronico e combinare le immagini risultanti per formare una vista tridimensionale di una cellula, un po' come una mini macchina per la risonanza magnetica. "Con dati crio-ET su larga scala provenienti da cellule perfettamente conservate, è possibile acquisire istantanee ad alta risoluzione di diversi stati di una macchina molecolare in azione e combinarle in un film", ha affermato Mahamid.

Una delle strutture più importanti quando si osserva un'immagine crio-ET di una cellula di micoplasma sono minuscole macchie scure:questi sono i ribosomi. "Il ribosoma è una delle macchine macromolecolari più antiche, che potrebbe essere esistita anche prima dell'emergere delle cellule", ha detto Xue. I ribosomi sono le principali macchine molecolari coinvolte nella traduzione delle proteine ​​e sono presenti in tutte le cellule, dai batteri all'uomo.

L'approccio del gruppo Mahamid ha consentito loro non solo di individuare e contare i ribosomi all'interno dei batteri, ma anche di vedere la loro struttura a risoluzione atomica. Studiando un gran numero di ribosomi "congelati" in diverse fasi del loro ciclo di attività, gli scienziati hanno potuto decifrare come cambia la struttura del ribosoma mentre procede attraverso il processo di sintesi proteica. Non solo questo, ma potrebbero anche localizzare i ribosomi nello spazio tridimensionale all'interno della cellula, che ha permesso loro di identificare come il processo di traduzione è organizzato spazialmente.

"All'interno delle cellule viventi, i ribosomi funzionano come sistemi altamente interconnessi, piuttosto che come singole macchine molecolari", ha affermato Xue. "Abbiamo rivelato nuove funzionalità nei ribosomi e i diversi percorsi di reazione di traduzione nelle cellule".

Antibiotici in azione

Fondamentalmente, utilizzando la crio-ET, i ricercatori hanno potuto osservare cosa succede quando gli antibiotici entrano nella cellula e si legano ai ribosomi. Ad esempio, potrebbero confermare che i due antibiotici ad ampio spettro cloramfenicolo e spectinomicina si legano a siti diversi sul ribosoma e interrompono diverse fasi del processo di sintesi proteica. Questo era stato previsto da studi su ribosomi isolati, ma non era mai stato osservato prima in azione all'interno di una vera cellula batterica.

"È stato molto emozionante quando siamo stati in grado di vedere per la prima volta la molecola del farmaco legarsi a un ribosoma all'interno della cellula", ha detto Xue. "Ma è stato ancora più emozionante quando abbiamo scoperto che le popolazioni di ribosomi nelle cellule trattate con antibiotici sono fondamentalmente rimodellate, funzionalmente, strutturalmente e spazialmente".

I ricercatori hanno osservato che le interazioni tra i ribosomi e altri complessi nella cellula sono cambiate in risposta al farmaco, suggerendo che un antibiotico può avere un effetto che va ben oltre il complesso specifico a cui si lega. "Da un lato, questo può aiutare a comprendere gli effetti fuori bersaglio degli antibiotici e può anche aiutare a progettare combinazioni di antibiotici per aumentarne l'efficienza", ha affermato Mahamid.

Il gruppo Mahamid continua a usare il potere della crio-ET per studiare i processi biologici fondamentali. "Quello che siamo in grado di fare per questo sistema modello squisitamente semplice è in linea di principio applicabile a modelli molto più complessi", ha affermato Mahamid. "Ad esempio, nel nostro gruppo studiamo l'interazione tra i virus e il loro ospite cellulare umano, l'organizzazione delle cellule staminali pluripotenti umane e il funzionamento dei loro ribosomi, e persino i grandi organoidi 3D multicellulari che i nostri collaboratori e noi coltiviamo da cellule prelevate direttamente da malati di cancro". + Esplora ulteriormente

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