Визуализация действия антибиотиков внутри патогенной бактерии

Процесс синтеза белка (трансляция) критически важен для выживания любой клетки. Молекулярные машины, участвующие в трансляции, являются одной из самых распространенных мишеней для антибиотиков.

Ученые под руководством Джулии Махамид из EMBL в Гейдельберге впервые визуализировали с атомарной детализацией, как антибиотики влияют на процесс производства белка внутри бактериальных клеток. Исследование, опубликованное в Nature, также стало первым случаем, когда ученые наблюдали структурные изменения на атомном уровне в активной трансляционной машинерии непосредственно внутри клетки, а не на изолированных молекулах в пробирке. Этот подход позволил выявить механизмы, с помощью которых такие машины «общаются» друг с другом внутри клеток.

Миниатюрные бактерии и молекулярные машины

Группа Махамид — эксперты в изучении бактерии Mycoplasma pneumoniae с помощью техники крио-электронной томографии (cryo-ET). Эта крошечная бактерия, вызывающая атипичную пневмонию у людей, имеет полностью функциональный аппарат синтеза белка при размере всего около одной десятитысячной миллиметра.

Cryo-ET позволяет делать серийные снимки мгновенно замороженных биологических образцов в электронном микроскопе и объединять их в трехмерное изображение клетки. «Имея масштабные данные cryo-ET от идеально сохраненных клеток, можно получить высокодетальные снимки разных состояний молекулярной машины в действии и объединить их в фильм», — сказала Махамид.

Одни из самых заметных структур на изображениях cryo-ET клеток микоплазмы — это рибосомы. «Рибосома — одна из древнейших макромолекулярных машин, которая могла существовать еще до появления клеток», — отметил Лян Сюэ, первый автор исследования. Подход группы позволил не только обнаружить и подсчитать рибосомы внутри бактерий, но и увидеть их структуру с атомным разрешением.

«Внутри живых клеток рибосомы функционируют как высоко взаимосвязанные системы, а не как отдельные молекулярные машины», — сказал Сюэ. «Мы выявили новые особенности рибосом и разнообразие путей трансляционной реакции в клетках».

Антибиотики в действии

Используя cryo-ET, исследователи смогли наблюдать, что происходит, когда антибиотики проникают в клетку и связываются с рибосомами. Например, они подтвердили, что два антибиотика широкого спектра — хлорамфеникол и спектиномицин — связываются с разными участками рибосомы и нарушают разные этапы процесса синтеза белка. Это предсказывалось исследованиями на изолированных рибосомах, но никогда ранее не наблюдалось в действии внутри живой бактериальной клетки.

«Мы обнаружили, что популяции рибосом в клетках, обработанных антибиотиком, фундаментально меняются — функционально, структурно и пространственно», — сказал Сюэ.

Исследователи наблюдали, что взаимодействия между рибосомами и другими комплексами в клетке менялись в ответ на препарат. Это говорит о том, что антибиотик может оказывать эффект, выходящий далеко за пределы конкретного комплекса, с которым он связывается. «С одной стороны, это может помочь понять побочные эффекты антибиотиков, а с другой — помочь в разработке их комбинаций для повышения эффективности», — сказала Махамид.

Группа Махамид продолжает использовать возможности cryo-ET для изучения фундаментальных биологических процессов. «То, что мы можем сделать для этой исключительно простой модельной системы, в принципе применимо и к гораздо более сложным моделям», — заключила Махамид.