Ερευνητές οπτικοποιούν για πρώτη φορά τη δράση των αντιβιοτικών μέσα σε ένα παθογόνο βακτήριο

Κάθε ζωντανό κύτταρο βασίζεται σε πρωτεΐνες για να λειτουργήσει και η διαδικασία της πρωτεϊνοσύνθεσης , δηλαδή η μετάφραση, είναι κρίσιμη για την επιβίωση. Τα βακτήρια με τους μοριακούς μηχανισμούς τους που εμπλέκονται στη μετάφραση, είναι ένας από τους πιο κοινούς στόχους για τα αντιβιοτικά.

Τώρα, για πρώτη φορά, επιστήμονες με επικεφαλής την ομάδα της Julia Mahamid στο Ευρωπαϊκό Εργαστήριο Μοριακής Βιολογίας (EMBL) στη Χαιδελβέργη  κατάφεραν να οπτικοποιήσουν με μεγάλη λεπτομέρεια σε επίπεδο ατόμου τον τρόπο που τα αντιβιοτικά επηρεάζουν τη διαδικασία παραγωγής πρωτεΐνης μέσα στα βακτηριακά κύτταρα.

Αυτή η μελέτη, που δημοσιεύτηκε στο Nature, σηματοδοτεί την πρώτη φορά που οι επιστήμονες παρατηρούν δομικές αλλαγές στον ενεργό μηχανισμό μετάφρασης απευθείας μέσα σε έναν οργανισμό, αντί να χρησιμοποιούν απομονωμένα μόρια σε δοκιμαστικό σωλήνα.

Οι ερευνητές  χρησιμοποίησαν μια τεχνική που ονομάζεται κρυοηλεκτρονική τομογραφία (cryo-ET) για να μελετήσουν το βακτήριο Mycoplasma pneumoniae. Αυτό το μικροσκοπικό βακτήριο, το οποίο προκαλεί άτυπη πνευμονία στους ανθρώπους, διαθέτει έναν πλήρως λειτουργικό μηχανισμό πρωτεϊνοσύνθεσης, παρόλο που έχει μέγεθος από 120 μέχρι 150 νανόμετρα. Οι ερευνητές επέλεξαν τον συγκεκριμένο οργανισμό  επειδή είναι από τα μικρότερα και ελάχιστα ζωντανά κύτταρα που χρησιμοποιούνται ευρέως ως μοντέλα σε μελέτες βιολογίας συστημάτων και συνθετικής βιολογίας.

Στην κρυο-ηλεκτρονική τομογραφία ο προς παρατήρηση οργανισμός/κύτταρο καταψύχεται σε υγρό άζωτο (-192 βαθμοί Κελσίου) αμέσως πριν από την τοποθέτησή του στο μικροσκόπιο προκειμένου να διατηρηθεί η κυτταρική του δομή. Μέσα στο μικροσκόπιο το μοντέλο περιστρέφεται προκειμένου να ληφθούν με ψηφιακή κάμερα μια σειρά φωτογραφιών, η ανάλυση των οποίων είναι περί τα 4 εκατομμυριοστά του χιλιοστού! Τέλος η λαμβανόμενη από διαφορετικές οπτικές γωνίες πληροφορία υφίσταται επεξεργασία  με τη βοήθεια ενός εξελιγμένου υπολογιστικού συστήματος και παράγει τρισδιάστατες εικόνες του αντικειμένου. «Με μεγάλης κλίμακας δεδομένα cryo-ET από παρθένα διατηρημένα κύτταρα, είναι δυνατό να τραβήξουμε στιγμιότυπα υψηλής ανάλυσης διαφορετικών καταστάσεων μιας μοριακής μηχανής σε δράση και να δημιουργήσουμε ένα φιλμ », εξηγεί η  Mahamid.

Αντιβιοτικά σε δράση

Όταν κάποιος κοιτάζει μια εικόνα από κρυοηλεκτρονική τομογραφία ενός κυττάρου Mycoplasma παρατηρεί  μικροσκοπικές σκούρες κηλίδες που είναι τα οργανίδια ριβοσώματα. Τα ριβοσώματα είναι μια από τις αρχαιότερες μακρομοριακές μηχανές, που μπορεί να υπήρχαν ακόμη και πριν από την εμφάνιση των κυττάρων, που εμπλέκονται στη μετάφραση πρωτεϊνών και που εντοπίζονται σε όλα τα κύτταρα, από τα βακτήρια έως τους ανθρώπους.

Η προσέγγιση της ομάδας της Mahamid  επέτρεψε όχι μόνο τον εντοπισμό και τη μέτρηση των ριβοσωμάτων μέσα στα βακτήρια, αλλά και την παρατήρηση της δομής τους σε ατομική ανάλυση. Μελετώντας έναν μεγάλο αριθμό ριβοσωμάτων που «καταψύχθηκαν» σε διαφορετικά στάδια του κύκλου δραστηριότητάς τους, οι επιστήμονες μπόρεσαν να καταγράψουν το πώς αλλάζει η δομή του ριβοσώματος καθώς προχωρά η διαδικασία της πρωτεϊνοσύνθεσης. Και όχι μόνο αυτό. Οι επιστήμονες μπόρεσαν να δουν τα ριβοσώματα  τρισδιάστατα μέσα στο κύτταρο, κάτι που τους επέτρεψε να προσδιορίσουν πώς οργανώνεται χωρικά η διαδικασία της μετάφρασης.

«Μέσα στα ζωντανά κύτταρα, τα ριβοσώματα λειτουργούν ως πολύ διασυνδεδεμένα συστήματα, αντί για μεμονωμένες μοριακές μηχανές. Αποκαλύψαμε νέα χαρακτηριστικά τους και διαφορετικά μονοπάτια αντίδρασης της μετάφραση στα κύτταρα», λένε οι ερευνητές.

Το πιο σημαντικό είναι ότι χρησιμοποιώντας την cryo-ET, οι ερευνητές παρατήρησαν  τι συμβαίνει όταν τα αντιβιοτικά εισέρχονται στο κύτταρο και συνδέονται με τα ριβοσώματα. Για παράδειγμα, μπόρεσαν να επιβεβαιώσουν ότι δύο αντιβιοτικά ευρέως φάσματος η χλωραμφενικόλη και η σπεκτινομυκίνη συνδέονται σε διαφορετικές θέσεις στο ριβόσωμα και διαταράσσουν διαφορετικά στάδια της διαδικασίας πρωτεϊνοσύνθεσης. Αυτό είχε προβλεφθεί από μελέτες σε μεμονωμένα ριβοσώματα, αλλά ποτέ πριν δεν είχε παρατηρηθεί σε δράση μέσα σε ένα πραγματικό βακτηριακό κύτταρο σε real time.

Οι ερευνητές θεωρούν πολύ συναρπαστικό το ότι μπόρεσαν για πρώτη φορά να δουν το μόριο του φαρμάκου να συνδέεται με ένα ριβόσωμα μέσα στο κύτταρο. Αλλά ήταν ακόμα πιο συναρπαστικό όταν διαπίστωσαν ότι οι πληθυσμοί ριβοσωμάτων στα κύτταρα που έλαβαν αντιβιοτικά ανασχηματίστηκαν θεμελιωδώς  λειτουργικά, δομικά και χωρικά.

Οι ερευνητές παρατήρησαν ότι οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ ριβοσωμάτων και άλλων συμπλεγμάτων στο κύτταρο αλλάζουν ως απόκριση στο φάρμακο, υποδηλώνοντας ότι ένα αντιβιοτικό μπορεί να έχει μια επίδραση που ξεπερνά πολύ το συγκεκριμένο σύμπλεγμα με το οποίο συνδέεται. Από τη μία πλευρά, αυτό μπορεί να βοηθήσει στην κατανόηση των επιπτώσεων των αντιβιοτικών εκτός στόχου και μπορεί επίσης να βοηθήσει στο σχεδιασμό συνδυασμών αντιβιοτικών για την αύξηση της αποτελεσματικότητάς τους.

Η ομάδα της Mahamid συνεχίζει να χρησιμοποιεί τη δύναμη της cryo-ET για τη μελέτη θεμελιωδών βιολογικών διεργασιών. Για παράδειγμα, μελετά την αλληλεπίδραση μεταξύ των ιών και του ανθρώπινου ξενιστή κυττάρου τους, την οργάνωση των ανθρώπινων πολυδύναμων βλαστοκυττάρων και τη λειτουργία των ριβοσωμάτων τους, ακόμη και τα μεγάλα πολυκύτταρα 3D οργανοειδή που αναπτύσσει από κύτταρα που λαμβάνονται απευθείας από καρκινοπαθείς.

Η εν λόγω μελέτη πραγματοποιήθηκε σε συνεργασία με ερευνητές από το Max-Planck-Institute for Biophysical Chemistry, Göttingen, το Wellcome Center for Cell Biology, το Πανεπιστήμιο του Εδιμβούργου και το Technische Universität Berlin. Η έρευνα περιελάμβανε επίσης συνεισφορές από τις ομάδες Zimmermann-Kogadeeva και Bork στο EMBL Heidelberg, οι οποίοι βοήθησαν τους ερευνητές να πραγματοποιήσουν αναλύσεις βιοπληροφορικής για να παρατηρήσουν την  ποικιλομορφία των πρωτεϊνών σε >4000 αντιπροσωπευτικά βακτήρια.