Kako molekularni riboswitchevi rade u bakterijama

Osnove razumevanja epigenetike - Anton Komat, svobodni raziskovalec biozof (Lipanj 2019).

Anonim

Mnoge bakterije imaju elemente molekularne kontrole pomoću kojih mogu prebacivati ​​i isključiti gene. Ovi riboswitches također otvaraju nove mogućnosti u razvoju antibiotika ili otkrivanje i razgradnju toksina u okolišu. Istraživači Karlsruhe Institute of Technology (KIT), Sveučilište Heidelberg i Freie Universität Berlin sada su koristili svjetlo optičku mikroskopiju pojedinačnih molekula kako bi temeljito istražili način na koji riboswitchevi rade. Ovo je objavljeno u Nature Chemical Biology.

Ribos prekidači nalaze se na messonskoj ribonukleinskoj kiselini (mRNA) koja prenosi genetsku informaciju na mjesto biosinteze proteina. Ribosovka se sastoji od senzora koji mjeri koncentraciju male metaboličke molekule i ekspresije genskog efekta koji kontrolira, a time i sinteze proteina. Budući da postoje ribosovci u mnogim bakterijskim patogenima, oni predstavljaju važne ciljeve u razvoju novih antibiotika. Druge primjene su moguće u sintetičkoj biologiji. Na primjer, bakterije mogu biti genetički modificirane s riboswitchovima za otkrivanje i razgradnju toksina niskih molekularnih okoliša, kao što su herbicidi. Međutim, potrebno je temeljno razumijevanje procesa na kojima se temelji funkcija riboswitchova. Rad u prirodi kemijske biologije bitan je doprinos u tom pogledu.

Istraživačke skupine profesora Gerd Ulrich Nienhaus iz KIT-a i profesor Andres Jäschke sa Sveučilišta Heidelberg proučavali su S-adenozil-L-metionin (SAM) -I riboswitch. "Prilog molekule SAM-a na ovaj ribosovka uzrokuje konformaciju, tj. Prostorni raspored atoma, da se mijenjaju od anti-terminatora (AT) do strukture terminala (T)", objašnjava Nienhaus. "Kao rezultat, genska ekspresija je isključena."

Prvo, znanstvenici iz Heidelberga sintetiziraju SAM-I ribosprekide i posebno ih obilježavaju s dvije fluorescentne boje na svakom koraku. Istraživači KIT-a zatim su proučavali ove RNA molekule pri visokoj prostornoj i vremenskoj razlučivosti pomoću vrlo osjetljivih svjetlosnih mikroskopa koji mjere fluorescentnu emisiju molekula s jednim bojama. Pomoću Försterova rezonancijskog prijenosa energije (FRET) eksperimenta određena je dinamika konformacije. U tu svrhu, lasersko zračenje se koristi kako bi zelena boja emitirala svjetlo. Ako se u blizini nalazi crvena boja, može preuzeti energiju uzbude zelene boja i emitirati samu svjetlost.

Vjerojatnost prijenosa energije jako ovisi o udaljenosti bojila jedni od drugih. Strukturne promjene molekule na koju su specifično vezane boje mogu se promatrati izravno emisijom crvene boje. Svjetlosna emisija je izuzetno slaba, koja zahtijeva složene metode analize podataka temeljene na skrivenom Markov modelu. Profesorica Bettina Keller iz Instituta za kemiju i biokemiju Freie Universität Berlin razvila je metode posebno za ovu vrstu eksperimenta kako bi se razlikovali vremenski ovisni signali emisije svjetlosti od buke.

U svojoj analizi, istraživači su razlikovali dvije konformacije (T i AT) SAM-I riboswitcha i ukupno četiri konformacije (T1, T2, AT1 i AT2). Iznenađujuće, ribosuključnik nije prešao u potpunosti između T i AT struktura u prisutnosti i odsutnosti SAM-a, kao što se očekivalo, ali je trajno varirao između svih ponderacija samo za stanja pomaknutih. Rezultat važan za biološku funkciju bio je da su fluktuacije strukture promatrane s SAM-om pričvršćene bile daleko brže nego bez SAM-a. Kako je sekvenca riboswitch na messenger RNA smještena neposredno ispred gena koji treba kontrolirati, molekula RNA mora formirati strukturu T (isključiti) što je brže moguće nakon sinteze u prisutnosti SAM-a kako bi se spriječila naknadna transkripcija gena koji treba kontrolirati. Ubrzanje fluktuacija strukture pomoću privitka SAM stoga osigurava dovoljno brzo formiranje T strukture. "Slijedom toga, dinamika SAM-I riboswitcha igra važnu ulogu za njegovu funkciju", kaže Nienhaus. "Ovi detaljni uvidi u funkcioniranje biomolekule rezultat su interdisciplinarnog pristupa fizike, biotehnologije i teorijske kemije".

menu
menu