Muchas bacterias tienen elementos de control molecular a través de los cuales pueden activar y desactivar genes. Estos riboswitches también abren nuevas opciones en el desarrollo de antibióticos o la detección y descomposición de toxinas ambientales. Investigadores del Instituto de Tecnología de Karlsruhe (KIT), Universidad de Heidelberg, y Freie Universität Berlin ahora han utilizado microscopía óptica de luz de moléculas individuales para estudiar fundamentalmente la forma en que funcionan los riboswitches. Esto se informa en Biología química de la naturaleza .

Los ribosconmutadores se encuentran en el ácido ribonucleico mensajero (ARNm) que transporta información genética al sitio de biosíntesis de proteínas. Un riboswitch consiste en un sensor que mide la concentración de una pequeña molécula metabólica y un efector que controla la expresión génica y, por eso, síntesis de una proteína. Como existen riboswitches en muchos patógenos bacterianos, representan objetivos importantes en el desarrollo de nuevos antibióticos. Son posibles otras aplicaciones en biología sintética. Por ejemplo, las bacterias se pueden modificar genéticamente con riboswitches para detectar y descomponer toxinas ambientales de bajo peso molecular, como herbicidas. Sin embargo, Se requiere una comprensión fundamental de los procesos que subyacen a la función de los ribointerruptores. El trabajo presentado en Biología química de la naturaleza es una contribución esencial en este sentido.

Los grupos de investigación del profesor Gerd Ulrich Nienhaus de KIT y el profesor Andres Jäschke de la Universidad de Heidelberg estudiaron el riboswitch S-adenosil-L-metionina (SAM) -I. "La unión de la molécula SAM a este riboswitch provoca la conformación, esa es la disposición espacial de los átomos, para cambiar de la estructura anti-terminator (AT) a terminator (T), "Explica Nienhaus." Como resultado, la expresión génica está desactivada ".

Primero, Los científicos de Heidelberg sintetizaron riboswitches SAM-I y los marcaron específicamente con dos tintes fluorescentes cada uno en diferentes puntos. Los investigadores de KIT luego estudiaron estas moléculas de ARN a alta resolución espacial y temporal utilizando microscopios de luz altamente sensibles que miden la emisión fluorescente de moléculas de un solo colorante. Mediante experimentos de transferencia de energía por resonancia (FRET) de Förster, La dinámica de conformación se determinó directamente. Para este propósito, La radiación láser se utiliza para hacer que un tinte verde emita luz. Si hay un tinte rojo en las proximidades, puede asumir la energía de excitación del tinte verde y emitir luz por sí mismo.

La probabilidad de transferencia de energía depende en gran medida de la distancia entre los tintes. Los cambios estructurales de una molécula a la que se unen específicamente los colorantes se pueden observar directamente a través de la emisión del colorante rojo. La emisión de luz es extremadamente débil, que requieren métodos de análisis de datos complejos basados ​​en modelos ocultos de Markov. La profesora Bettina Keller del Instituto de Química y Bioquímica de la Freie Universität Berlin desarrolló los métodos especialmente para este tipo de experimento con el fin de distinguir las señales de emisión de luz dependientes del tiempo del ruido.

En su análisis, los investigadores distinguieron dos conformaciones (T y AT) del riboswitch SAM-I, y un total de cuatro conformaciones (T1, T2, A LA 1, y AT2). Asombrosamente, el riboswitch no cambió completamente entre las estructuras T y AT en presencia y ausencia de SAM, como se esperaba, pero fluctuaba permanentemente entre todos los estados; solo se cambiaron las ponderaciones. Un resultado importante para la función biológica fue que las fluctuaciones estructurales observadas con un SAM adjunto fueron mucho más rápidas que sin SAM. Como la secuencia de riboswitch en el ARN mensajero se encuentra directamente en frente del gen que se va a controlar, la molécula de ARN debe formar una estructura T (desconectarse) lo más rápidamente posible después de la síntesis en presencia de SAM para evitar la transcripción posterior del gen que se va a controlar. La aceleración de las fluctuaciones de la estructura por la unión de SAM asegura así la formación suficientemente rápida de una estructura en T. "Como consecuencia, La dinámica del riboswitch SAM-I juega un papel importante para su función, "Dice Nienhaus." Estos conocimientos detallados sobre el funcionamiento de una biomolécula son el resultado de un enfoque interdisciplinario de la física, biotecnología, y química teórica ".