Cuando los ribosomas chocan: cómo las bacterias se limpian después de las averías moleculares

Resumen

Una minúscula maquinaria celular llamada ribosomas construye proteínas. Cuando este proceso de construcción falla en las bacterias, los ribosomas chocan, lo que resulta en la llegada de una primera molécula efectora que inicia el proceso de rescate.

Cuando los ribosomas chocan con las células de organismos complejos, desde la levadura hasta los humanos, desencadenan un proceso de control de calidad que mantiene la producción de proteínas en el buen camino. Un nuevo trabajo sugiere que las colisiones (arriba) hacen lo mismo en las bacterias. Crédito: K. Saito et al./naturaleza 2022

Nudo, estructura tridimensional en la pantalla al frente raquel verde Un accidente automovilístico ha mostrado células internas que los científicos nunca habían visto antes. También confirmó una hipótesis en la que un equipo de su laboratorio había estado trabajando durante meses.

Pero al principio, Green no estaba muy impresionado. «¿Eso es todo?» Recuerdas haber pensado sarcásticamente.

Era principios de 2021 y estaba de vacaciones, trabajando en la Universidad Ludwig Maximilian de Munich con su amigo y colaborador Roland Beckmann. Green, investigadora del Instituto Médico Howard Hughes de la Universidad Johns Hopkins, le contó sobre un proyecto en su laboratorio que exploraba un misterio biológico de larga data. Estaban tratando de llenar un vacío importante en el conocimiento de los científicos sobre cómo las células bacterianas responden a los problemas de síntesis de proteínas. Debido a que las células necesitan proteínas en casi todo lo que hacen, esta respuesta es esencial para el funcionamiento normal.

El equipo de Green tenía una idea bastante buena de lo que estaba pasando, pero no tenían las imágenes para probarlo. Beckmann, un biólogo estructural, estaba intrigado por esto. Usando una técnica llamada microscopía crioelectrónica, su equipo reveló lo que sucede en la escena, es decir, si sabe qué buscar.

«Cuando te muestran una estructura por primera vez, realmente no puedes saber qué es porque es todo gris», dice Green. Roland hizo un pequeño comentario y dijo: ‘¡Mira, ahí está! «

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Su equipo sospechaba que el «pequeño punto» era el socorrista molecular que apareció en el accidente. Las fotos de Beckmann confirmaron la identidad de la molécula y proporcionaron nueva información sobre cómo sucedió esto. Este proceso de rescate, que es una forma de monitorear la calidad de las bacteriasestá trabajando. Beckman, Green y un grupo de científicos de su laboratorio dirigido por Allen Buskirk describieron por primera vez la investigación en un Preimpresión en bioRxiv.org Y luego en la revista naturaleza 9 de marzo de 2022. El trabajo podría proporcionar pistas sobre cómo otros organismos más complejos, y posiblemente los humanos, mantienen la producción de proteínas en el buen camino.

Las máquinas moleculares conocidas como ribosomas siguen literalmente instrucciones codificadas en una hebra lineal de material genético. A medida que viajan a lo largo del hilo, acumulan una proteína. A veces, sin embargo, esta máquina falla.

Investigaciones anteriores en levaduras, cuyas células son similares a las de los animales, han demostrado que los ribosomas se descomponen cuando tienen problemas. Al igual que un automóvil que se detiene repentinamente, un ribosoma detenido puede terminar detrás de él. Green Lab había determinado previamente La molécula de levadura que responde a estas colisiones. Como las pequeñas mandíbulas de la vida, la molécula corta el ribosoma estancado. Es el primer paso en el esfuerzo de rescate que finalmente permite que la célula recupere y reutilice la valiosa maquinaria de producción de proteínas.

Los ribosomas de las células bacterianas también pueden apilarse, pero los científicos han sospechado que las bacterias responden a las colisiones de la misma manera que responde la levadura. Esto se debe a que los investigadores ya saben que las bacterias tienen su propia forma distinta de salvar los ribosomas rotos, dice Jamie Kate, bioquímica y bióloga sintética de la Universidad de California, Berkeley, que no participó en el proyecto.

Nadie sabía exactamente qué inició el esfuerzo de rescate de bacterias, pero esperaban que fuera algo muy diferente a la levadura, dice Kate. En cambio, la nueva investigación sugiere que tanto las bacterias como las levaduras inician este proceso de la misma manera, invocando a los socorristas en forma de código.

Los problemas con la síntesis de proteínas hacen que el ribosoma (rojo) se detenga y choque contra el ribosoma que se encuentra detrás. Luego llega la molécula SmrB (verde) para liberar el ribosoma detenido. Crédito: K. Saito et al./naturaleza 2022

«Lo bueno es que ambas moléculas reconocen los ribosomas que chocaron entre sí», dice Kate.

En el laboratorio de Green en Baltimore, Buskirk y el primer autor Kazuki Saito identificaron al primer respondedor de la bacteria como una molécula llamada SmrB y exploraron cómo hace su trabajo. Buskirk dice que la arquitectura de Beckmann fue «la última pieza del rompecabezas».

El equipo de Beckmann capturó las primeras imágenes de una colisión entre dos ribosomas bacterianos y luego las codificó por colores para que sus componentes no se perdieran en un mar gris. Después de agregar SmrB a la muestra que contenía los ribosomas, el equipo vio que la molécula aparecía en el centro de la ruptura.

Los experimentos bioquímicos revelaron que SmrB, al igual que su contraparte de levadura, corta los ribosomas rotos. El equipo descubrió que las dos moléculas no solo comparten una descripción funcional, sino que la SmrB bacteriana y su contraparte de levadura también son parientes cercanos. Los investigadores aún no pudieron visualizar cómo la versión de levadura interactuaba con los ribosomas durante la colisión. Por lo tanto, el SmrB similar y más simple puede dar a los científicos un punto de apoyo para comprender cómo funciona el proceso en otros organismos.

«Todo lo demás sobre las rutas de rescate es completamente diferente», dice Green. «No esperábamos encontrar un lado que pareciera tan universal».

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La frase

Kazuki Saito et al. «Las colisiones de ribosomas en bacterias mejoran el rescate de ribosomas al inducir la escisión del ARNm por SmrB.. Publicado en bioRxiv.org el 16 de agosto de 2021. doi: 10.1101 / 2021.08.16.456513 Publicado en naturaleza El 9 de marzo de 2022, como «Las colisiones de ribosomas estimulan la escisión del ARNm y el rescate de ribosomas en bacterias.doi: 10.1038/s41586-022-04416-7.

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