Una investigación pionera en la nueva línea de luz de cristalografía macromolecular de longitud de onda larga (I23) en Diamond Light Source ha demostrado por primera vez la ubicación de los iones de potasio en los ribosomas bacterianos. Los ribosomas son las fábricas de proteínas de las células y, aunque son vitales para la vida, Se sabía poco de los sitios de los iones metálicos que son cruciales para su estructura y función. El trabajo recientemente publicado en Comunicaciones de la naturaleza muestra las fantásticas aplicaciones de la línea de luz I23 y arroja luz sobre el importante papel de los iones de potasio.

Los ribosomas son fábricas de proteínas gigantes que residen en células de todas las formas de vida, y son responsables de la conversión precisa de la información genética en proteínas. Son los conjuntos de ARN-proteína más complejos de la célula y necesitan iones metálicos para mantener su estructura y función. Aunque es un componente tan importante de una célula, El tipo exacto y la ubicación de los iones metálicos dentro de estos grandes complejos aún no se habían definido. De hecho, Los esfuerzos anteriores para caracterizar el ribosoma exageraron la importancia de los iones de magnesio, por lo que se ignoraron en gran medida otros iones metálicos.

Un equipo internacional de investigadores trató de definir completamente el papel del potasio dentro de los ribosomas. Usando la exclusiva línea de luz de cristalografía macromolecular de longitud de onda larga (I23) en Diamond, el equipo pudo identificar cientos de iones de potasio dentro de los ribosomas bacterianos. La técnica de vanguardia demostró por primera vez sobre una base estructural 3-D que los iones de potasio no solo estaban involucrados en la formación general de la estructura del ARN ribosómico (ARNr) y las proteínas ribosómicas, pero que también estaban jugando un papel importante en su función.

Estos resultados llenan un enorme vacío de conocimiento y también podrían conducir a posibles aplicaciones terapéuticas. Al comprender completamente las complejidades de los ribosomas bacterianos, se espera que puedan estar dirigidos a desarrollar nuevas clases de antibióticos.

Magnesio por defecto

Los ribosomas son esenciales para la síntesis de proteínas y están compuestos por dos subunidades complejas. Aunque su estructura ha sido previamente caracterizada a fondo por cristalografía de rayos X y microscopía crioelectrónica (crio-EM), los iones metálicos exactos que sustentan su estructura y función han eludido a los científicos.

Cuando los ribosomas se someten a experimentos de difracción, los iones metálicos contribuyen a las regiones de densidad electrónica. Por defecto, Los investigadores han atribuido esta densidad a los iones de magnesio para generar modelos estructurales tridimensionales. Sin embargo, se sabe que el potasio también juega un papel importante dentro de los ribosomas ya que su abstinencia conduce al desdoblamiento.

Este esfuerzo de colaboración europea involucra a Gulnara Yusupova y Marat Yusupov del Instituto de Genética y Biología Molecular y Celular (IGBMC, Estrasburgo, Francia), y Alexey Rozov de una empresa derivada del IGBMC llamada "RiboStruct". Llevamos 30 años trabajando para lograr nuestro objetivo principal, comprender cómo la estructura atómica del ribosoma determina en última instancia su función extraordinaria:la síntesis de proteínas. El potasio es el catión más abundante en las células, y como tal se consideró importante para todos los procesos celulares, pero su influencia en la traducción nunca se estudió en detalle ", afirmó el equipo de Gulnara Yusupova y Marat Yusupov. Por lo tanto, se embarcaron en un extenso estudio con la ayuda del equipo del Dr. Armin Wagner en I23 para caracterizar completamente los iones de potasio dentro de los ribosomas bacterianos.

Instalación única

Tardando más de dos años en desarrollarse, I23 es una instalación única en Diamond que cubre un rango de energía que no está disponible en ningún otro sincrotrón del mundo. Dr. Wagner, El científico principal de la línea de luz en I23 y uno de los autores del estudio explicó las capacidades de la línea de luz:"El rango de longitud de onda único nos permite apuntar realmente a la unión del potasio. De modo que podemos hacer experimentos alrededor del borde de absorción que nos permiten calcular 3 -D mapas que resaltan los átomos que contribuyen a la dispersión ".

El estudio se centró en los ribosomas bacterianos de Thermus thermophilus. Los investigadores concentraron sus esfuerzos en las estructuras cristalinas de los ribosomas en complejo con ARN mensajero y ARN de transferencia. Midiendo las señales de dispersión anómalas en el borde K, pudieron detectar los iones de potasio.

El equipo del Dr. Wagner en I23 ayudó a planificar y realizar el estudio, que fue el primero de su tipo en el mundo. Estudiar uno de los sistemas biológicos más complejos fue agotador y los equipos de IGBMC y RiboStruct pasaron más de un año analizando los datos para localizar iones de potasio con una precisión sin precedentes.

Papel vital del potasio

El equipo vio cientos de iones de potasio, y muchos estaban en posiciones importantes dentro del ribosoma. El más importante estabiliza el centro de decodificación cuando se une al ARN mensajero, que transmite información genética al ribosoma. Estos conocimientos realmente muestran el papel vital del potasio en la síntesis de proteínas.

Típicamente, cryo-EM se utiliza en gran medida para explorar la estructura ribosómica, pero este estudio demuestra que la cristalografía puede ofrecer conocimientos únicos. La ubicación exacta del potasio y, de hecho, de otros iones metálicos aún no es posible con los electrones.

Los equipos continuarán sus esfuerzos para caracterizar los ribosomas utilizando tanto crio-EM como cristalografía y tienen la intención de observar organismos superiores en el futuro. En Diamond, El Dr. Wagner tiene como objetivo realizar el potencial del I23 como una valiosa herramienta de investigación. "I23 es actualmente la única instalación donde esta investigación podría haberse llevado a cabo. Muestra que I23 puede determinar la posición de átomos ligeros como el potasio, calcio, cloro, fósforo, azufre, todos los átomos de gran importancia biológica. Este estudio es solo el comienzo y esperamos resultados más interesantes de la línea de luz, " Él concluyó.