Når ribosomer kolliderer:Sådan rydder bakterier op efter molekylære nedbrud

Den knudrede 3D-struktur på skærmen foran Rachel Green viste et intracellulært bilvrag, som aldrig før er set af videnskabsmænd. Det bekræftede også en hypotese, som et team i hendes laboratorium havde arbejdet på i flere måneder.

Men i starten var Green ikke så imponeret. "Det er det?" hun husker, at hun tænkte skævt.

Det var tidligt i 2021, og hun var på sabbatår og arbejdede på Ludwig Maximilian Universitetet i München sammen med sin ven og samarbejdspartner, Roland Beckmann. Green, en Howard Hughes Medical Institute Investigator ved Johns Hopkins University, havde fortalt ham om et projekt i hendes laboratorium, der udforskede et mangeårigt biologisk mysterium. De forsøgte at udfylde et vigtigt hul i forskernes viden om, hvordan bakterieceller reagerer på problemer med proteinsyntese. Fordi celler har brug for proteiner til næsten alt, hvad de gør, er denne reaktion afgørende for normal funktion.

Greens team havde en god idé om, hvad der foregik, men de havde ikke snapshots til at bevise det. Beckmann, en strukturel biolog, var fascineret. Ved hjælp af en teknik kaldet kryo-elektronmikroskopi afslørede hans team, hvad der sker på stedet – det vil sige, hvis du vidste, hvad du skulle kigge efter.

"Når de først viser dig en struktur, kan du ikke rigtig fortælle, hvad noget er, fordi alt er gråt," siger Green. "Roland pegede på en lille klat og sagde:'Se, der er den!'"

Hendes hold havde mistanke om, at den "lille klat" fungerede som en molekylær førstehjælper, der dukkede op ved ulykken. Beckmanns billeder bekræftede molekylets identitet og præsenterede nye oplysninger om, hvordan denne redningsaktion, en metode til kvalitetskontrol af bakterier, fungerer. Beckmann, Green og en gruppe videnskabsmænd i hendes laboratorium ledet af Allen Buskirk beskrev først forskningen i et fortryk på bioRxiv.org og senere i tidsskriftet Nature den 9. marts 2022. Værket kan give fingerpeg om, hvordan andre, mere komplekse organismer – måske endda mennesker – holder proteinproduktionen på sporet.

Molekylærmaskiner kendt som ribosomer følger bogstaveligt talt instruktioner kodet i en lineær streng af genetisk materiale. Når de rejser langs strengen, opbygger de et protein. Nogle gange fejler dette maskineri dog.

Tidligere forskning i gær, hvis celler ligner dyrs, havde vist, at ribosomer går i stå, når de får problemer. Som en bil, der stopper for pludseligt, kan et ribosom, der er gået i stå, bringes bagud af den bagvedliggende. Greens laboratorium havde tidligere identificeret et gærmolekyle, der reagerer på disse kollisioner. Som en lille Livs-Jaws skærer molekylet det stoppede ribosom fri. Det er det første skridt i en redningsindsats, der i sidste ende lader cellen redde og genbruge disse værdifulde, proteinfremstillede maskiner.

Bakteriecellers ribosomer kan også sætte sig fast, men forskere tvivlede på, at bakterier reagerer på kollisioner på samme måde som gær. Det er fordi forskerne allerede vidste, at bakterier har deres egen særskilte metode til at redde ødelagte ribosomer, siger Jamie Cate, en biokemiker og strukturel biolog ved University of California, Berkeley, som ikke var involveret i projektet.

Ingen vidste præcist, hvad der satte gang i den bakterielle redningsindsats, men de forventede, at det ville være noget helt andet end gær, siger Cate. I stedet tyder den nye forskning på, at både bakterier og gær starter denne proces på samme måde - ved at tilkalde knivlignende første respondere.

"Det fede er, at begge molekyler genkender ribosomer, der er stødt ind i hinanden," siger Cate.

I Greens laboratorium i Baltimore identificerede Buskirk og førsteforfatter Kazuki Saito den første responder i bakterier som et molekyle kaldet SmrB og undersøgte, hvordan det udførte sit job. Beckmanns struktur "var den sidste brik i puslespillet," siger Buskirk.

Beckmanns gruppe fangede de første billeder nogensinde af en kollision mellem to bakterielle ribosomer, og farvekodede dem derefter, så deres komponenter ikke gik tabt i et hav af gråt. Efter at have tilføjet SmrB til prøven, der indeholdt ribosomerne, så holdet, at molekylet dukkede op i midten af ​​styrtet.

Biokemiske eksperimenter afslørede, at SmrB, ligesom dets gærmodstykke, skærer de ødelagte ribosomer fra hinanden. Og ikke kun deler de to molekyler en jobbeskrivelse, bakteriel SmrB og dets gærmodstykke er også nære slægtninge, fandt holdet. Forskere har endnu ikke været i stand til at visualisere, hvordan gærversionen interagerer med ribosomer under en kollision. Så den lignende, men enklere SmrB kan give videnskabsmænd fodfæste til at forstå, hvordan processen fungerer i andre organismer.

"Alt andet ved disse redningsveje er meget anderledes," siger Green. "Vi havde ikke forudset, at vi ville finde et aspekt, der ser ud til at være universelt."