DNA med et twist:Opdagelsen kan fremme udviklingen af ​​antibiotika

Forskere afslører, hvordan en 'molekylær maskine' i bakterieceller forhindrer dødelig DNA-vridning, som kan være afgørende i udviklingen af ​​nye antibiotikabehandlinger.

DNA-replikation er afgørende for alle livsformer, men i nogle organismer kan det forhindres ved drejninger i DNA-sekvensen, kaldet 'supercoils'. Hvis for mange superspoler får lov til at bygge sig op, celler, der er afgørende for at opretholde liv, vil dø.

En molekylær maskine, kaldet DNA-gyrase, som findes i bakterieceller, men ikke humane celler, slapper af drejningerne for at tillade DNA-replikation at fortsætte som normalt, men indtil nu var der begrænset forståelse af, hvordan det gør dette i realtid i faktiske levende celler.

Processen er af særlig interesse for lægemiddeludviklere, fordi hvis DNA-gyrase med succes kan afbrydes, da det virker for at stoppe drejninger, der opstår i bakterielle DNA-celler, bakterierne vil dø og truslen om infektion til værten forhindres.

Gul glød

Holdet fra University of York, i samarbejde med John Innes Centret, Oxford, og Adam Mickiewicz University, Polen, brugte et specielt lasermikroskop til at skinne lys på et fluorescerende protein, hvilket får DNA-gyrase til at lyse gult. Dette gjorde det muligt for videnskabsmænd at se inde i en bakteriecelle og, for første gang, observere, hvordan det molekylære maskineri forhindrer snoninger i DNA.

Professor Mark Leake, fra University of Yorks afdelinger for biologi og fysik, sagde:"Ved at bruge modificerede fluorescerende proteiner kan DNA-gyrasen fås til at lyse gult, mens det cellulære maskineri, som bruges til faktisk at replikere DNA, kan mærkes med et andet rødglødende protein.

"Disse separate farver kan derefter opdeles i forskellige detektorkanaler for at gøre det muligt at observere den præcise placering af DNA-gyrase i forhold til det nøjagtige punkt, hvor DNA-replikation faktisk finder sted inde i en enkelt levende bakteriecelle."

Forskerne har opdaget, at DNA-gyrasen fokuserer sine twist-afslapningsaktiviteter lige foran det punkt, hvor DNA replikeres i en celle.

Nanoskala

Professor Leake sagde:"De molekylære maskiner, der udfører DNA-replikation, pendler langs DNA'et, men dette arbejde kan resultere i små nanoskala-drejninger af DNA, der akkumuleres foran replikationsmaskineriet, ligesom sammenfiltrede kabler bag på dit tv.

"Vi har nu vist, at adskillige tiere af DNA-gyrase-molekyler aktivt binder sig til en zone direkte foran replikationsmaskineriet og slapper af DNA-nano-twistserne hurtigere, end selve replikationsmaskineriet bevæger sig langs DNA'et.

"De forhindrer i det væsentlige en 'twistbarriere' i at opbygge sig, som ville stoppe replikationsmaskineriet i at pendle langs DNA'et, standse replikering, og dræbe cellen."

Super-bugs

DNA-gyrase er et mål for en række forskellige antibiotika, men med flere "super-bugs", der er resistente over for antibiotika, der er mere presserende behov for at forstå, hvordan bakterieceller fungerer i realtid.

Professor Leake sagde:"Nu hvor vi ved, hvordan DNA-gyrase virkelig udfører sin rolle i levende bakterier, vi kan hjælpe med at designe nye typer lægemidler, der kan forhindre DNA-gyrase i at virke, som vil gøre det muligt for lægemidler at være mere målrettede og i sidste ende dræbe farlige bakterieinfektioner hos mennesker.

"Menneskelige celler har lignende mekanismer til at løse DNA-drejninger, men ved hjælp af forskellige molekylære maskiner, og vores arbejde med DNA-gyrase i bakterier giver os værdifuld indsigt i de generaliserede mekanismer, der styrer driften af ​​denne klasse af bemærkelsesværdige biomolekyler for alle organismer."