La ricerca innovativa presso la nuova linea di luce di cristallografia macromolecolare a lunghezza d'onda lunga (I23) presso la Diamond Light Source ha dimostrato per la prima volta la posizione degli ioni potassio nei ribosomi batterici. I ribosomi sono le fabbriche proteiche delle cellule e sebbene siano vitali per la vita, si sapeva poco dei siti degli ioni metallici che sono cruciali per la loro struttura e funzione. Il lavoro recentemente pubblicato su Comunicazioni sulla natura mette in mostra le fantastiche applicazioni della linea di luce I23 e fa luce sull'importante ruolo degli ioni potassio.

I ribosomi sono gigantesche fabbriche di proteine ​​che risiedono nelle cellule di tutte le forme di vita, e sono responsabili dell'accurata conversione dell'informazione genetica in proteine. Sono gli assemblaggi RNA-proteina più complessi nella cellula e hanno bisogno di ioni metallici per mantenere la loro struttura e funzione. Sebbene un costituente così importante di una cellula, il tipo esatto e la posizione degli ioni metallici all'interno di questi grandi complessi dovevano ancora essere definiti. Infatti, i primi sforzi per caratterizzare il ribosoma hanno enfatizzato eccessivamente l'importanza degli ioni magnesio, quindi altri ioni metallici sono stati in gran parte ignorati.

Un team internazionale di ricercatori ha cercato di definire completamente il ruolo del potassio all'interno dei ribosomi. Utilizzando l'esclusiva linea di luce della cristallografia macromolecolare a lunghezza d'onda lunga (I23) a Diamond, il team è stato in grado di individuare centinaia di ioni potassio all'interno dei ribosomi batterici. La tecnica all'avanguardia ha dimostrato per la prima volta su una base strutturale 3-D che gli ioni potassio non erano solo coinvolti nella formazione complessiva della struttura dell'RNA ribosomiale (rRNA) e delle proteine ​​ribosomiali, ma che svolgevano anche un ruolo importante nella sua funzione.

Questi risultati colmano un enorme vuoto di conoscenze e potrebbero anche portare a potenziali applicazioni terapeutiche. Comprendendo appieno le complessità dei ribosomi batterici, si spera che possano essere presi di mira per sviluppare nuove classi di antibiotici.

Magnesio di default

I ribosomi sono essenziali per la sintesi proteica e sono composti da due subunità complesse. Sebbene la loro struttura sia stata precedentemente accuratamente caratterizzata dalla cristallografia a raggi X e dalla microscopia crioelettronica (crio-EM), gli esatti ioni metallici che supportano la loro struttura e funzione sono sfuggiti agli scienziati.

Quando i ribosomi sono sottoposti a esperimenti di diffrazione, gli ioni metallici contribuiscono alle regioni di densità elettronica. Per impostazione predefinita, i ricercatori hanno attribuito questa densità agli ioni di magnesio per generare modelli strutturali 3D. Però, è noto che il potassio svolge anche un ruolo importante all'interno dei ribosomi poiché il suo ritiro porta allo spiegamento.

Questo sforzo collaborativo europeo coinvolge Gulnara Yusupova e Marat Yusupov dell'Istituto di genetica e biologia molecolare e cellulare (IGBMC, Strasburgo, Francia), e Alexey Rozov da una società spin-out dell'IGBMC chiamata "RiboStruct. "Lavoriamo da 30 anni verso il nostro obiettivo principale, per capire come la struttura atomica del ribosoma determina in ultima analisi la sua straordinaria funzione:la sintesi proteica. Il potassio è il catione più abbondante nelle cellule, e come tale era ritenuto importante per tutti i processi cellulari, ma la sua influenza sulla traduzione non è mai stata studiata in dettaglio." ha affermato il team di Gulnara Yusupova e Marat Yusupov. Così hanno intrapreso un lungo studio aiutato dal team del Dr. Armin Wagner a I23 per caratterizzare completamente gli ioni di potassio all'interno dei ribosomi batterici.

Struttura unica

Prendendo più di due anni per sviluppare, I23 è una struttura unica a Diamond che copre una gamma di energia non disponibile in nessun altro sincrotrone al mondo. Dottor Wagner, Principal Beamline Scientist presso I23 e uno degli autori dello studio ha spiegato le capacità della linea di luce:"L'intervallo di lunghezze d'onda unico ci consente di mirare davvero al legame del potassio. Quindi possiamo fare esperimenti attorno al bordo di assorbimento che ci permettono di calcolare 3 -D mappe che evidenziano gli atomi che contribuiscono alla dispersione."

Lo studio si è concentrato sui ribosomi batterici di Thermus thermophilus. I ricercatori hanno concentrato i loro sforzi sulle strutture cristalline dei ribosomi in complesso con l'RNA messaggero e l'RNA di trasferimento. Misurando i segnali di diffusione anomala al K-edge sono stati in grado di rilevare gli ioni potassio.

Il team del Dr. Wagner all'I23 ha aiutato a pianificare ed eseguire lo studio, che è stato il primo del suo genere al mondo. Lo studio di uno dei sistemi biologici più complessi è stato faticoso e i team di IGBMC e RiboStruct hanno trascorso oltre un anno ad analizzare i dati per individuare gli ioni potassio con una precisione senza precedenti.

Ruolo vitale del potassio

Il team ha visto centinaia di ioni potassio, e molti erano in posizioni importanti all'interno del ribosoma. Il più importante stabilizza il centro di decodifica quando è legato all'RNA messaggero, che trasmette informazioni genetiche al ribosoma. Queste intuizioni mostrano davvero il ruolo vitale del potassio nella sintesi proteica.

Tipicamente, il crio-EM è ampiamente utilizzato per esplorare la struttura ribosomiale, ma questo studio dimostra che la cristallografia può offrire intuizioni uniche. La posizione accurata del potassio e di altri ioni metallici non è ancora possibile con gli elettroni.

I team continueranno i loro sforzi per caratterizzare i ribosomi utilizzando sia la crio-EM che la cristallografia e intendono esaminare gli organismi superiori in futuro. A Diamante, Il Dr. Wagner mira a realizzare il potenziale dell'I23 come prezioso strumento di ricerca. "I23 è attualmente l'unica struttura in cui questa ricerca avrebbe potuto essere condotta. Dimostra che I23 può determinare la posizione di atomi leggeri come il potassio, calcio, cloro, fosforo, zolfo, tutti gli atomi di alto significato biologico. Questo studio è solo l'inizio e ci aspettiamo risultati più entusiasmanti dalla linea di luce, " ha concluso.