Nghiên cứu mới chỉ ra chi tiết nguyên tử làm thế nào kháng sinh ảnh hưởng đến quá trình sản xuất protein bên trong vi khuẩn. Nghiên cứu sử dụng phương pháp chụp cắt lớp điện tử lạnh để quan sát động thái của bộ máy dịch trong Mycoplasma pneumoniae, vi khuẩn ký sinh nhỏ bé gây ra bệnh viêm phổi không điển hình ở người.
Mọi tế bào sống đều dựa vào protein để hoạt động và quá trình tổng hợp protein - dịch mã - rất quan trọng để tồn tại. Vi khuẩn cũng không ngoại lệ, với các cỗ máy phân tử tham gia vào quá trình dịch mã là một trong những mục tiêu phổ biến nhất của thuốc kháng sinh.
Giờ đây, lần đầu tiên, các nhà khoa học do nhóm của Julia Mahamid tại EMBL Heidelberg dẫn đầu đã hình dung được chi tiết nguyên tử về cách thuốc kháng sinh ảnh hưởng đến quá trình sản xuất protein bên trong tế bào vi khuẩn. Nghiên cứu này, được công bố trên tạp chí Nature, cũng đánh dấu lần đầu tiên các nhà khoa học quan sát thấy những thay đổi cấu trúc ở cấp độ nguyên tử trong bộ máy dịch mã hoạt động trực tiếp bên trong tế bào, thay vì sử dụng các phân tử cô lập trong ống nghiệm. Quan trọng hơn, cách tiếp cận này cho phép chúng xác định các cơ chế mà những cỗ máy như vậy sử dụng để "nói chuyện" với nhau bên trong tế bào.
Nghiên cứu được thực hiện với sự hợp tác của các nhà nghiên cứu từ Viện Hóa lý Sinh Max-Planck, Göttingen, Trung tâm Wellcome về Sinh học Tế bào, Đại học Edinburgh và Technische Universität Berlin. Nghiên cứu cũng có sự đóng góp của nhóm Zimmermann-Kogadeeva và Bork tại EMBL Heidelberg, những người đã giúp các nhà nghiên cứu thực hiện các phân tích tin sinh học để quan sát sự đa dạng trong protein của ribosome trên hơn 4000 vi khuẩn đại diện.
Vi khuẩn cực nhỏ và máy móc phân tử
Mahamid và nhóm của cô là những chuyên gia nghiên cứu vi khuẩn Mycoplasma pneumoniae bằng kỹ thuật gọi là chụp cắt lớp điện tử lạnh (cryo-ET). Loại vi khuẩn nhỏ bé này, gây ra bệnh viêm phổi không điển hình ở người, có một bộ máy tổng hợp protein đầy đủ chức năng, mặc dù kích thước chỉ khoảng một phần nghìn milimet.
Cryo-ET cho phép các nhà nghiên cứu chụp các hình ảnh nối tiếp của các mẫu sinh học đông lạnh bằng đèn flash bằng kính hiển vi điện tử và kết hợp các hình ảnh thu được để tạo thành chế độ xem ba chiều của một tế bào - giống như một máy MRI mini. Mahamid cho biết: “Với dữ liệu cryo-ET quy mô lớn từ các tế bào được bảo quản nguyên sơ, có thể chụp ảnh nhanh độ phân giải cao về các trạng thái khác nhau của một cỗ máy phân tử đang hoạt động và kết hợp chúng thành một bộ phim.
Một trong những cấu trúc nổi bật nhất khi người ta nhìn vào hình ảnh cryo-ET của tế bào Mycoplasma là những đốm màu sẫm nhỏ - đây là những ribosome. Xue cho biết: “Ribosome là một trong những cỗ máy đại phân tử cổ xưa nhất, có thể đã tồn tại trước cả sự xuất hiện của tế bào. Ribosome là bộ máy phân tử chính tham gia vào quá trình dịch mã protein, và chúng có mặt trong tất cả các tế bào - từ vi khuẩn đến con người.
(adv)
Phương pháp tiếp cận của nhóm Mahamid cho phép họ không chỉ phát hiện và đếm các ribosome bên trong vi khuẩn mà còn nhìn thấy cấu trúc của chúng ở độ phân giải nguyên tử. Bằng cách nghiên cứu một số lượng lớn ribosome bị 'đông lạnh' ở các giai đoạn khác nhau trong chu kỳ hoạt động của chúng, các nhà khoa học có thể giải mã cấu trúc ribosome thay đổi như thế nào khi nó diễn ra trong quá trình tổng hợp protein. Không chỉ vậy, họ còn có thể định vị các ribosome trong không gian ba chiều bên trong tế bào, cho phép họ xác định cách tổ chức quá trình dịch mã trong không gian.
Xue cho biết: “Bên trong tế bào sống, ribosome hoạt động như một hệ thống liên kết chặt chẽ với nhau, chứ không phải là những cỗ máy phân tử riêng lẻ. "Chúng tôi đã tiết lộ các tính năng mới trong ribosome và các con đường phản ứng dịch mã đa dạng trong tế bào."
Điều quan trọng, sử dụng cryo-ET, các nhà nghiên cứu có thể quan sát điều gì sẽ xảy ra khi thuốc kháng sinh xâm nhập vào tế bào và liên kết với ribosome. Ví dụ, họ có thể xác nhận rằng hai loại kháng sinh phổ rộng chloramphenicol và spectinomycin liên kết với các vị trí khác nhau trên ribosome và làm gián đoạn các bước khác nhau của quá trình tổng hợp protein. Điều này đã được dự đoán bởi các nghiên cứu trên các ribosome cô lập, nhưng trước đây chưa từng được quan sát thấy hoạt động bên trong một tế bào vi khuẩn thực sự.
Xue cho biết: “Thật là thú vị khi lần đầu tiên chúng tôi có thể nhìn thấy phân tử thuốc liên kết với một ribosome bên trong tế bào. "Nhưng còn thú vị hơn khi chúng tôi phát hiện ra rằng quần thể ribosome trong các tế bào được điều trị bằng thuốc kháng sinh về cơ bản được định hình lại - về mặt chức năng, cấu trúc và không gian."
Các nhà nghiên cứu quan sát thấy rằng các tương tác giữa ribosome và các phức hợp khác trong tế bào thay đổi theo phản ứng với thuốc, cho thấy rằng một loại kháng sinh có thể có tác dụng vượt xa phức hợp cụ thể mà nó liên kết. Mahamid cho biết: “Một mặt, điều này có thể giúp hiểu được tác dụng ngoài mục tiêu của thuốc kháng sinh và cũng có thể giúp thiết kế các kết hợp thuốc kháng sinh để tăng hiệu quả của chúng.
Nhóm Mahamid tiếp tục sử dụng sức mạnh của cryo-ET để nghiên cứu các quá trình sinh học cơ bản. "Những gì chúng tôi có thể làm cho hệ thống mô hình đơn giản tinh xảo này về nguyên tắc có thể áp dụng cho các mô hình phức tạp hơn nhiều," Mahamid nói. "Ví dụ: trong nhóm của chúng tôi, chúng tôi nghiên cứu sự tương tác giữa vi rút và vật chủ tế bào người của chúng, tổ chức của các tế bào gốc đa năng của con người và hoạt động của các ribosome của chúng và thậm chí là các organoids 3D đa bào lớn mà các cộng tác viên của chúng tôi và chúng tôi phát triển từ các tế bào được lấy trực tiếp từ bệnh nhân ung thư. "
Nguồn Phòng thí nghiệm Sinh học Phân tử Châu Âu
