Cada célula viva depende de las proteínas para funcionar y el proceso de síntesis de proteínas (traducción) es fundamental para la supervivencia. Las bacterias no son una excepción, y las máquinas moleculares involucradas en la traducción son uno de los objetivos más comunes de los antibióticos.

Ahora, por primera vez, los científicos dirigidos por el grupo de Julia Mahamid en EMBL Heidelberg han visualizado en detalle atómico cómo los antibióticos afectan el proceso de producción de proteínas dentro de las células bacterianas. Este estudio, publicado en Nature, también marca la primera vez que los científicos observan cambios estructurales a nivel atómico en la maquinaria de traducción activa directamente dentro de una célula, en lugar de usar moléculas aisladas en un tubo de ensayo. Es importante destacar que este enfoque les permitió identificar los mecanismos que esas máquinas utilizan para "hablar" entre sí dentro de las células.

El estudio se llevó a cabo en colaboración con investigadores del Instituto Max-Planck de Química Biofísica de Göttingen, el Centro Wellcome de Biología Celular de la Universidad de Edimburgo y la Technische Universität de Berlín. La investigación también involucró contribuciones de los grupos Zimmermann-Kogadeeva y Bork en EMBL Heidelberg, quienes ayudaron a los investigadores a realizar análisis bioinformáticos para observar cómo se ve la diversidad en las proteínas ribosómicas en>4000 bacterias representativas.

Minúsculas bacterias y máquinas moleculares

Mahamid y su equipo son expertos en el estudio de la bacteria Mycoplasma pneumoniae utilizando una técnica llamada tomografía crioelectrónica (crio-ET). Esta diminuta bacteria, que causa neumonía atípica en humanos, tiene una maquinaria de síntesis de proteínas completamente funcional, a pesar de tener un tamaño de solo una diezmilésima de milímetro.

"Elegimos Mycoplasma para nuestros estudios porque se encuentran entre las células vivas más pequeñas y mínimas, y se han utilizado ampliamente como células modelo en estudios de biología de sistemas y biología sintética", dijo Liang Xue, posdoctorado en el grupo Mahamid y primer autor de el estudio.

Cryo-ET permite a los investigadores tomar imágenes en serie de muestras biológicas ultracongeladas utilizando un microscopio electrónico y combinar las imágenes resultantes para formar una vista tridimensional de una célula, algo así como una mini máquina de resonancia magnética. "Con datos crio-ET a gran escala de células preservadas de forma prístina, es posible capturar instantáneas de alta resolución de diferentes estados de una máquina molecular en acción y combinarlas en una película", dijo Mahamid.

Una de las estructuras más prominentes cuando uno mira una imagen crio-ET de una célula de Mycoplasma son pequeñas manchas oscuras:estos son los ribosomas. "El ribosoma es una de las máquinas macromoleculares más antiguas, que puede haber existido incluso antes de la aparición de las células", dijo Xue. Los ribosomas son las principales máquinas moleculares involucradas en la traducción de proteínas y están presentes en todas las células, desde bacterias hasta humanos.

El enfoque del grupo Mahamid les permitió no solo detectar y contar los ribosomas dentro de la bacteria, sino también ver su estructura en resolución atómica. Al estudiar una gran cantidad de ribosomas "congelados" en diferentes etapas de su ciclo de actividad, los científicos pudieron descifrar cómo cambia la estructura del ribosoma a medida que avanza en el proceso de síntesis de proteínas. No solo esto, sino que también pudieron localizar los ribosomas en el espacio tridimensional dentro de la célula, lo que les permitió identificar cómo se organiza espacialmente el proceso de traducción.

"Dentro de las células vivas, los ribosomas funcionan como sistemas altamente interconectados, en lugar de máquinas moleculares individuales", dijo Xue. "Revelamos nuevas características en los ribosomas y las diversas rutas de reacción de traducción en las células".

Antibióticos en acción

Crucialmente, usando crio-ET, los investigadores pudieron observar lo que sucede cuando los antibióticos ingresan a la célula y se unen a los ribosomas. Por ejemplo, pudieron confirmar que los dos antibióticos de amplio espectro, el cloranfenicol y la espectinomicina, se unen a diferentes sitios en el ribosoma e interrumpen diferentes pasos del proceso de síntesis de proteínas. Esto había sido predicho por estudios en ribosomas aislados, pero nunca antes se había observado en acción dentro de una célula bacteriana real.

"Fue muy emocionante cuando pudimos ver por primera vez que la molécula del fármaco se unía a un ribosoma dentro de la célula", dijo Xue. "Pero fue aún más emocionante cuando descubrimos que las poblaciones de ribosomas en las células tratadas con antibióticos se remodelan fundamentalmente, funcional, estructural y espacialmente".

Los investigadores observaron que las interacciones entre los ribosomas y otros complejos en la célula cambiaron en respuesta al fármaco, lo que sugiere que un antibiótico puede tener un efecto que va mucho más allá del complejo específico al que se une. "Por un lado, esto puede ayudar a comprender los efectos no deseados de los antibióticos y también puede ayudar a diseñar combinaciones de antibióticos para aumentar su eficiencia", dijo Mahamid.

El grupo Mahamid continúa utilizando el poder de la crio-ET para estudiar procesos biológicos fundamentales. "Lo que podemos hacer por este sistema modelo exquisitamente simple es, en principio, aplicable a modelos mucho más complejos", dijo Mahamid. "Por ejemplo, en nuestro grupo estudiamos la interacción entre los virus y su huésped celular humano, la organización de las células madre pluripotentes humanas y el funcionamiento de sus ribosomas, e incluso grandes organoides 3D multicelulares que nuestros colaboradores y nosotros cultivamos a partir de células extraídas directamente de pacientes con cáncer." + Explora más

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