Ученые придумали высокопроизводительный метод построения рибосом, который использует части различных микробов, а также измеряет и оптимизирует способность рибосом катализировать производство белка. Рассказываем о новом исследовании биологов и все, что нужно знать о рибосоме.
Что такое рибосома?
Рибосоома — важнейшая немембранная органелла всех живых клеток, служащая для биосинтеза белка из аминокислот по заданной матрице на основе генетической информации, предоставляемой матричной РНК (мРНК). Этот процесс называется трансляцией. Рибосомы имеют сферическую или слегка эллипсоидную форму диаметром от 15–20 нанометров (прокариоты) до 25–30 нанометров (эукариоты), состоят из большой и малой субъединиц. Малая субъединица считывает информацию с матричной РНК, а большая — присоединяет соответствующую аминокислоту к синтезируемой цепочке белка.
В эукариотических клетках рибосомы располагаются на мембранах эндоплазматической сети, хотя могут быть локализованы и в неприкрепленной форме в цитоплазме. Нередко с одной молекулой мРНК ассоциировано несколько рибосом, такая структура называется полирибосомой (полисомой). Синтез рибосом у эукариот происходит в специальной внутриядерной структуре — ядрышке.
Клетка животного и ее органеллы, включая митохондрии, ядро, комплекс Гольджи, лизосомы, пероксисомы и рибосомы. Научная иллюстрация. Отлично подходит для презентаций и обучения
Какая функция у рибосом?
Рибосомы на внешней поверхности эндоплазматического ретикулума играют важную роль в синтезе белка внутри клеток.
Рибосомы многочисленны в клетках. Например, одна активно реплицирующаяся эукариотическая клетка может содержать до 10 млн рибосом. У бактерии Escherichia coli (прокариот) их насчитывает до 15 тыс., что составляет до четверти общей массы клетки. Размер рибосом внутри клеток варьируется в зависимости от типа клетки и таких факторов, как то, находится ли клетка в покое или реплицируется. Средняя рибосома E. coli , наиболее охарактеризованный образец, имеет диаметр около 200 ангстрем (около 20 нм).
Синтез белка
ДНК в ядре клетки несет генетический код, который состоит из последовательностей аденина (A), тимина (T), гуанина (G) и цитозина (C). РНК, которая содержит урацил (U) вместо тимина, переносит код на участки образования белков в клетке. Чтобы создать РНК, ДНК соединяет свои основания с основаниями «свободных» нуклеотидов. Информационная РНК (мРНК) затем перемещается к рибосомам в цитоплазме клетки, где происходит синтез белка. Основные триплеты транспортной РНК (тРНК) соединяются с таковыми из мРНК и в то же время откладывают свои аминокислоты на растущей белковой цепи. Наконец, синтезированный белок высвобождается для выполнения своей задачи в клетке или в другом месте тела.
Рибосомы состоят из рибосомных белков и рибосомальной РНК (рРНК). У прокариот рибосомы примерно на 40% состоят из белка. У эукариот рибосомы примерно наполовину состоят из белка и наполовину из рРНК. Рибосомы обычно состоят из трех или четырех молекул рРНК и примерно от 40 до 80 различных рибосомных белков.
Каждая рибосома состоит из двух субъединиц, большей и меньшей, каждая из которых имеет характерную форму. Субъединицы обычно называют их скоростью седиментации, которая измеряется в единицах Сведберга (S) в центробежном поле. Маленькие и большие субъединицы эукариот обозначаются 40S и 60S, соответственно, в то время как прокариоты содержат небольшую субъединицу 30S и большую субъединицу 50S.
Генетическое кодирование
Белки синтезируются живыми организмами из аминокислот на основе информации, закодированной в генах. Каждый белок состоит из уникальной последовательности аминокислотных остатков, которая определяется нуклеотидной последовательностью гена, кодирующего данный белок. Генетический код представляет собой способ перевода нуклеотидной последовательности ДНК (через РНК) в аминокислотную последовательность полипептидной цепи. Этот код определяет соответствие трехнуклеотидных участков РНК, называемых кодонами, и определенных аминокислот, которые включаются в состав белка: последовательность нуклеотидов АУГ, например, соответствует метионину. Поскольку ДНК состоит из четырех типов нуклеотидов, то общее число возможных кодонов равно 64; а так как в белках используется 20 аминокислот, то многие аминокислоты определяются более чем одним кодоном. Три кодона являются незначащими: они служат сигналами остановки синтеза полипептидной цепи и называются терминаторными кодонами, или стоп-кодонами.
Гены, кодирующие белки, сначала транскрибируются в последовательность нуклеотидов матричной РНК (мРНК) ферментами РНК-полимеразами. В подавляющем большинстве случаев белки живых организмов синтезируются на рибосомах — многокомпонентных молекулярных машинах, присутствующих в цитоплазме клеток. Процесс синтеза полипептидной цепи рибосомой на матрице мРНК называется трансляцией.
Зачем ученым изучать рибосомы?
Рибосома — это клеточная фабрика по синтезу белка. Обладая скоростью синтеза белка до 20 аминокислот в секунду и точностью 99,99%, необычайная каталитическая способность бактериального механизма трансляции привлекла значительные усилия для разработки, реконструкции и перепрофилирования для биохимических исследований и новых функций. Фундаментальные ограничения на химические процессы, которые может выполнять активный сайт на основе РНК рибосомы, неизвестны до сих пор.
Вид сверху клеточной структуры млекопитающих с клеточными органеллами. Внутри клеточной мембраны находятся ядро, митохондрии, аппарат Гольджи, эндоплазматический ретикулум и цитоплазма
Тем не менее, ученые стремятся создать новые виды рибосом, которые генерируют белки с новыми свойствами.
Исследователи из Института Брода сделали важный шаг в этом направлении. Они придумали высокопроизводительный метод построения рибосом, который использует части различных микробов. Кроме того, он измеряет и оптимизирует способность рибосом катализировать производство белка. В исследовании, опубликованном в Nature Communications, подробно описывается успешное введение более 30 различных рибосом в клетку Escherichia coli.
Напомним, E. coli, или кишечная палочка — вид грамотрицательных палочковидных бактерий, широко распространенных в нижней части кишечника теплокровных животных. Большинство ее штаммов безвредны, однако серотип O157:H7 может вызывать тяжелые пищевые отравления у людей и животных.
Поскольку антибиотики обычно нацелены на рибосомы у различных бактерий, новый метод может стать способом быстрого тестирования новых лекарств, нацеленных только на молекулярные фабрики конкретных патогенов у человека.
Таким образом ученые планируют решить проблему резистентности к антибиотикам. Технология позволит проверять новые лекарства и потенциально обнаруживать молекулы, которые ингибируют рибосомы от патогенов человека, но не комменсальные бактерии. Они помогают иммунной системе распознавать болезнетворные микроорганизмы. Патогенные бактерии при попадании в организм способны вызывать заболевания. Эти бактерии могут распространяться через воду, воздух, почву, а также при физическом контакте.
Работа также дает исследователям новые инструменты для синтетической биологии. Раньше рибосомы E. coli представляли собой основную часть инструментария, доступного синтетическим биологам. Во время работы ученые были заинтересованы в расширении этого инструментария на рибосомы других видов и использовании их для новых приложений.
Как продвинулись ученые?
Исследователи синтетической биологии обычно используют части рибосомы E. coli при конструировании новых макромолекул, но это ограничивает возможности исследователей создавать большее количество молекул.
Трехмерная иллюстрация, показывающая бактерии Escherichia coli (E. coli) с нуклеоидом (ДНК), рибосомами, цитоплазмой, жгутиком и фимбриями
В начале исследования команда ученых стремилась понять, почему так сложно заставить рибосому другого вида работать в клетке E. coli. Для этого биологи использовали ортогональную трансляцию. Этот метод заставляет рибосому генерировать исключительно определенный белок — в данном случае зеленый флуоресцентный белок (GFP). Если рибосома работала в новой среде, исследователи могли сразу увидеть, что клетка вырабатывает GFP и флуоресцирует зеленым цветом.
Напомним, зеленый флуоресцентный белок выделен из медузы Aequorea victoria, который флуоресцирует в зеленом диапазоне при освещении его светом от синего до ультрафиолетового диапазона.
Используя этот метод, ученые определили, что рибосомы бактерий, тесно связанных с E. coli, могут легко транслировать GFP. Чем более генетически диверсифицированы бактерии, тем труднее их рибосомам работать в кишечной палочке.
Однако команда из Института Брода смогла улучшить функцию рибосом из отдаленно родственных бактерий, введя ключевую РНК и белки, связанные с рибосомами из исходной клетки. Таким образом миниатюрная молекулярная фабрика чувствовала себя как дома и заставляла ее работать с E. coli. Затем исследователи разработали универсальные инженерные правила для ортогональной трансляции, которые можно было бы распространить на любой репортерный белок. Достоверность этих правил ученые подтвердили в тесте на других флуоресцентных белках.
Авторы работы планируют превратить свой подход в платформу для скрининга антибиотиков на предмет ингибирования, специфичного для рибосом, а также для исследования биотехнологических применений сконструированных рибосом.
Источник: исследования с сайта hightech.fm
