Exploatarea puterii cryo-ET pentru a vizualiza interacțiunile mașinilor moleculare în celule
Cercetătorii au început să perceapă celulele ca pe mici orașe aglomerate, ale căror componente seamănă cu fabrici, rețele electrice și sisteme de transport.
Deși cercetările anterioare au oferit informații despre diversele componente ale acestor orașe celulare, nu au avut instrumentele necesare pentru a investiga mai profund interacțiunile dintre acestea. O echipă de cercetători din grupul de cercetare al lui Julia Mahamid de la EMBL Heidelberg a folosit tehnologia cryo-electron tomography (cryo-ET) pentru a vizualiza conexiunile dintre procesele celulare. Rezultatele lor sunt publicate în două articole în revista Cell.
„Ambele proiecte sunt esențialmente dovezi de concept pentru acest tip de analiză”, a declarat Joe Dobbs, autor principal al unuia dintre cele două articole. „În loc să ne concentrăm pe un singur tip de moleculă în izolare, ambele lucrări examinează interacțiunile dintre diferite sisteme celulare, având un fir comun în înțelegerea modului în care diferitele procese sunt coordonate.”
Dobbs și colegii săi s-au concentrat pe imaginarea bacteriilor Mycoplasma pneumoniae folosind cryo-ET. Această tehnică de imagistică permite cercetătorilor să observe celulele înghețate rapid în 3D și în detalii mari, revelând structuri ale mașinilor moleculare. Aceștia au folosit tehnologia pentru a reconstrui hărți de înaltă rezoluție și a număra cazurile de mașini de producție a proteinelor (ribozomi) în diferite stări funcționale, peste sute de celule individuale.
Datorită rolului esențial al proteinelor în menținerea vieții celulare, înțelegerea acestui proces ajută la elucidarea modului în care funcționează celulele, de ce apar bolile și la dezvoltarea unor medicamente mai eficiente. Printre descoperiri, cercetătorii au observat mai multe complexe noi care leagă direct transcripția – procesul de producere a mRNA din DNA – de traducere, procesul de producere a proteinelor.
Aceasta le-a permis să înțeleagă mai bine modul în care este reglată producția de proteine, să ofere dovezi structurale pentru „supercomplexele” ipotetizate de mult și să sugereze noi mecanisme moleculare prin care procesele interconectate sunt controlate.
De asemenea, au descoperit părți ale ribozomului atașate de membrana celulară, chiar și atunci când nu produceau proteine. Rezultatele lor sugerează că aceste subunități s-ar putea detașa de membrană doar atunci când condițiile permit începerea unei noi runde de producție de proteine. Acest comportament este similar cu cel observat în celulele mamifere cu decenii în urmă, iar noile descoperiri sugerează că astfel de mecanisme pot fi conservate de la bacterii la oameni.
„Gândesc la celulă ca la un oraș”, a spus Dobbs. „Mașinile moleculare pe care lucrez sunt ca niște mici fabrici care produc lucruri, în timp ce unii dintre colegii mei studiază sisteme care transportă și procesează acele produse. Împreună, formează diferite părți ale unei comunități moleculare vii în interiorul celulei – la fel ca un oraș cu activități specializate care colaborează.”
Acest accent pe interacțiunile dintre mașinile moleculare, în detrimentul studiului lor în izolare, reprezintă parte din noutatea celor două lucrări.
În altă parte a grupului Mahamid, Rasmus Jensen a condus o cercetare asupra unui sistem responsabil pentru transportul și plierea proteinelor la membrana celulară. Scopul său a fost să înțeleagă mai bine ce se întâmplă cu proteinele după ce sunt produse.
„Joe a început cu o întrebare biologică pe care dorea să o răspundă”, a explicat Jensen. „Eu am început din direcția opusă. Am observat ceva interesant în celulă și am lucrat înapoi pentru a descoperi ce era, ajungând în cele din urmă la o nouă configurație a unei mașini moleculare care ajută proteinele fie să fie exportate din celulă, fie să fie inserate în membrana acesteia.”
Prin combinarea imagisticii cryo-ET, proteomicii și predicțiilor structurale computaționale ale proteinelor, echipa a descoperit că această mașinărie conține binecunoscutul Sec-translocon, un canal proteic din membrana celulară care acționează ca o ușă pentru a muta proteinele proaspăt create în afara celulei, împreună cu trei proteine necunoscute anterior care ajută aceste proteine transportate să se plieze în formele lor funcționale corecte.
Crio-ET a permis cercetătorilor să creeze cele mai detaliate imagini de până acum ale părții conservate a mașinilor de transport al proteinelor bacteriene. Aceste imagini au arătat cum proteinele traduse de ribozomi încep să se miște prin membrana celulară și au revelat că transportul proteinelor este strâns legat de un sistem de pliere a proteinelor, nou descoperit, aflat în afara celulei la Mycoplasma pneumoniae.
„Împreună cu mulți colegi de la EMBL, am combinat expertiza în microbiologie, proteomică, bioinformatică, biologie structurală și modelare integrativă. Această lucrare spune întreaga poveste a procesului de descoperire: vizualizarea unei noi mașini celulare, identificarea genelor și proteinelor și descoperirea modului în care funcționează totul. Este o realizare remarcabilă și deschide noi căi pentru identificarea de noi complexe și funcții în diferite sisteme”, a declarat Julia Mahamid.
De la celule bacteriene simple la specii mai complexe, aceste descoperiri sunt interesante în sine, dar, mai important, ele oferă o bază conceptuală pentru studiile viitoare.
„Atât în lucrările lui Joe, cât și în ale mele, am început cu ceea ce am numi o celulă minimă, unde totul este relativ simplu”, a spus Jensen. „Am avansat ceea ce este posibil din punct de vedere conceptual în această bacterie minimă și am stabilit modalități de a aplica aceste metode la organisme mai complexe.”
„Viitorul constă în studiul comunităților moleculare”, a afirmat Mahamid. „Decenii de biologie structurală realizate pe molecule izolate ne-au oferit perspective detaliate asupra structurilor și funcțiilor acestora. În trecut, pur și simplu nu aveam tehnologia necesară pentru a studia interacțiunile și comunicarea lor mai complexe. Această lucrare subliniază din nou cum cryo-ET este o tehnologie care ne permite să vedem lucruri noi și conectivitatea din interiorul celulelor. Capacitatea sa de a ne arăta mai mult pare să fie limitată doar de întrebările pe care le punem.”
