更清晰的细胞核糖体x射线可能导致更好的抗生素

科学家们加州大学及劳伦斯伯克利国家实验室(劳伦斯)宣布，他们用实验室的光源(Light Source)捕捉到了细菌核糖体的高分辨率快照，这种光源产生强烈的x射线束，可以揭示如此大而复杂分子的前所未有的结构细节。

完整核糖体的高分辨率数据使研究人员能够建立详细和真实的核糖体模型。

虽然核糖体的两个主要部分的清晰图像已经提供了对特定抗生素如何工作的深入了解，但许多抗生素，如氨基糖苷类，只干扰整个完全组装的分子机器。

“许多抗生素只针对完整的机器，破坏信使RNA的解码或运动，”主要作者杰米·凯特说，他是加州大学伯克利分校化学和分子与细胞生物学助理教授，也是LBNL物理生物科学部的科学家。

“我们现在可以研究其中一些药物，并发现以前不知道的东西。”

凯特博士是加州定量生物医学研究所(QB3)和他的同事们在11月4日的《美国医学杂志》上报道了常见肠道细菌大肠杆菌核糖体的详细结构科学．

核糖体直径约为21至25纳米，是最初的纳米机器，它获取信使RNA传递的遗传信息，解码并输出蛋白质。

就在四年前，凯特所在的团队发表了一张核糖体的照片，分辨率为5.5埃，其中1埃(大约是一个氢原子的大小)是十分之一纳米。

这些图像的分辨率为3.5埃，这使得Cate和他的同事能够看到核糖体RNA链中的单个核苷酸和RNA核心周围蛋白质的氨基酸骨干。

新旧图像都是通过使用高级光源光束线的x射线晶体学获得的，它提供了非常明亮的x射线源。

凯特说，在他的后院有光源，可以更容易地获得最好的晶体学图像和最清晰的三维细节。

他和他的实验室同事培养核糖体晶体，在光源下检查它们的质量，然后调整晶体，再试一次。

“在过去的五年里，我们烧掉了成千上万的晶体，”他说。

研究人员获得了完整的大肠杆菌核糖体的两张高分辨率快照，并将它们与其他核糖体的广泛构象进行了比较。

这些其他数据来自于嗜热菌和大肠杆菌核糖体的低分辨率x射线晶体学图像，以及大肠杆菌、酵母和哺乳动物核糖体的电子显微镜。

他们一起得出了凯特所说的“全局快照”，并允许他和他的同事推断核糖体的各个部分在易位过程中是如何运作的。

到目前为止，新的结构显示了核糖体的两大块在核糖体重复制造蛋白质的过程中是如何弯曲、棘轮和旋转的。

核糖体的“小”亚基首先识别并附着在信使RNA (mRNA)上，信使RNA包含部分染色体DNA的副本。

一旦小亚基找到起始位置，“大”亚基就会移动并锁定，将mRNA夹在它们之间。

组合机器沿着mRNA滑动，读取每个三个字母的密码子，将该密码与相应的氨基酸匹配，然后将该氨基酸(20个可能的构建模块之一)添加到延长的蛋白质链中。

当这种转化发生时，转移RNA (tRNA)不断地带来氨基酸构建模块，而GTP(鸟苷三磷酸)形式的能量供应分子循环通过。

他们发现，在生长链和新添加的氨基酸之间形成键(称为肽键)后，小亚基相对于大亚基呈棘轮状。

然后，小亚基的头部旋转，准备将mRNA向前移动一个密码子。

与此同时，一个凹槽打开，允许mRNA实际移动，tRNA的氨基酸消耗殆尽，飘走。

然后，小亚基反转它的运动，重置，并准备添加下一个氨基酸。这幅移位图——棘轮、旋转、打开槽，然后倒转这三个步骤——在细菌中每秒重复10到20次。

根据研究人员对新数据的分析，Cate说，核糖体中的螺旋RNA似乎也充当了弹簧，可以承受这些可逆旋转的压力。

此外，核糖体含有数量惊人的正离子镁离子——总共有数百个——这显然中和了RNA的高负电荷。

凯特说，如果没有这些镁离子，RNA负电荷的排斥力将使核糖体分裂。

一些镁离子在核糖体的大亚基和小亚基之间形成了一种含盐液体，这可能是机器的润滑作用。他说，这些假说和其他假说需要进一步探索。

他说:“我们看到的所有相互作用以前都在较低分辨率下见过，但不清楚如何解释它们。”“需要这些高分辨率的研究来整合我们的想法。”