Исследователи проводят электронный микроскопический анализ высокого разрешения молекулярного механизма в дыхательной цепи.
Кислород и сахар являются основой жизни животных, растений, грибков и многих бактерий. Метаболический процесс, называемый дыханием, позволяет преобразовывать пищу в энергию для клеток. Биохимик профессор доктор Карола Хант и ее команда из Кластера передового опыта CIBSS в Университете Фрайбурга впервые с беспрецедентной точностью визуализировали, как устроена и функционирует сборка белковых машин, которые также снабжают человека энергией. Команда изучила два комплекса дыхательных цепей, слитых в суперкомплекс в группе бактерий, называемых актинобактериями. В дополнение к базовому пониманию респираторных процессов анализ с помощью криогенной электронной микроскопии может помочь в разработке новых лекарств для лечения туберкулеза или дифтерии. «Эти изображения подобны путешествию в нашу внутреннюю молекулярную работу и ее особые правила, - объясняет Хант. - Выяснение структуры одновременно проясняет, как работает суперкомплекс».
Результаты исследования были опубликованы в журнале Nature Communications и подготовлены в сотрудничестве с доктором Бруно Клахольц, директором по исследованиям Центра интегративной биологии (CBI) / Института генетики и молекулярной и клеточной биологии (IGBMC).) CNRS, Inserm и Университета Страсбурга/Франция.
Энергетическая валюта клетки
Аденозинтрифосфат (АТФ) является энергетической валютой клетки - молекула получается при дыхании и передает энергию от пищи на все процессы в клетке. Благодаря процессам в дыхательной цепи аденозиндифосфат превращается в богатую энергией АТФ. Для этого белковые комплексы дыхательной цепи создают электрохимическую движущую силу через мембрану с электронами и протонами в сложном химико-физическом процессе, который приводится в действие сжиганием сахара..
"Мы проанализировали респираторный цитохромный суперкомплекс bcc-aa3. Двадцать шесть белков составляют белковую машину. Точное взаимодействие молекулярных сил и динамики еще недостаточно изучено, и именно здесь нам помогает такое подробное описание. ", - объясняет первый автор исследования доктор Вей-Чун Као из команды Ханте. Исследователи обнаружили, что протонный насос комплекса очень похож на человеческий, но та часть, где электроны поглощаются переносчиком электронов хиноном, демонстрирует явные отличия у бактерий. «Именно здесь мы могли бы связать и разработать специфические агенты, которые убивают патогенные актинобактерии, такие как Mycobacterium tuberculosis или Corynebacterium diphtheriae, влияя на дыхательную цепь», - добавляет Хант.
Криогенный микроскоп с атомным разрешением
Криогенная электронная микроскопия (Крио-ЭМ) представляет собой метод исследования образцов при низких температурах -183°С в микроскопе высокого разрешения и позволяет разрешать структуры до уровня отдельных атомов. В процессе используются алгоритмы машинного обучения для дальнейшего уточнения собранных данных. «Благодаря этим данным мы также можем лучше понять взаимодействие метаболизма и передачи сигналов, которому уделяется особое внимание в Кластере передового опыта CIBSS», - подчеркивает Хант. Она является членом группы спикеров CIBSS, которая разрабатывает комплексные подходы к исследованию биологических сигналов. Крио-ЭМ измерения проводились в CBI/IGBMC в Страсбурге/Илькирхе. Программа научного сотрудничества Фрайбурга от FRIAS - Фрайбургского института перспективных исследований поддержала это международное сотрудничество.