Рибопереключатели расположены на матричной рибонуклеиновой кислоте (мРНК), которая транспортирует генетическую информацию к месту биосинтеза белка. Рибопереключатель состоит из датчика, измеряющего концентрацию небольшой метаболической молекулы, и эффектора, контролирующего экспрессию гена и, следовательно, синтез белка. Поскольку рибопереключатели существуют во многих бактериальных патогенах, они представляют собой важные мишени при разработке новых антибиотиков. Другие приложения возможны в синтетической биологии. Например, бактерии могут быть генетически модифицированы с помощью рибопереключателей для обнаружения и разложения низкомолекулярных токсинов окружающей среды, таких как гербициды. Однако требуется фундаментальное понимание процессов, лежащих в основе функции рибопереключателей. Работа, представленная в Nature Chemical Biology, является существенным вкладом в этом отношении.
В рамках проекта, финансируемого Гейдельбергским исследовательским партнерством Карлсруэ (HeiKA), группами профессора Герда Ульриха Ниенхауса из Института прикладной физики (APH), Института нанотехнологий (INT) и Института токсикологии и генетики (ITG) из KIT сотрудничала с командой профессора Андреса Яшке из Института фармации и молекулярной биотехнологии (IPMB) Гейдельбергского университета. Работа была сосредоточена на рибопереключателе S-аденозил-L-метионин (SAM)-I. «Присоединение молекулы SAM к этому рибопереключателю вызывает изменение конформации, то есть пространственного расположения атомов, с антитерминаторной (АТ) на терминаторную (Т) структуру», - объясняет Ниенхаус. «В результате экспрессия генов отключается».
Во-первых, ученые из Гейдельберга синтезировали рибопереключатели SAM-I и специально пометили их двумя разными флуоресцентными красителями в разных точках. Затем исследователи из KIT изучили эти молекулы РНК с высоким пространственным и временным разрешением, используя высокочувствительные световые микроскопы, измеряющие флуоресцентное излучение отдельных молекул красителя. С помощью экспериментов по переносу энергии резонанса Фёрстера (FRET) динамика конформации была определена напрямую. Для этого с помощью лазерного излучения зеленый краситель излучает свет. Если поблизости находится красный краситель, он может принять на себя энергию возбуждения зеленого красителя и сам излучать свет. Вероятность передачи энергии сильно зависит от расстояния красителей друг от друга. Структурные изменения молекулы, к которой специфически присоединены красители, можно наблюдать непосредственно по излучению красного красителя. Поскольку излучение света чрезвычайно слабое, потребовались сложные методы анализа данных, основанные на скрытом марковском моделировании. Профессор Беттина Келлер из Института химии и биохимии Свободного университета Берлина разработала методы специально для этого типа экспериментов, чтобы отличать сигналы светового излучения, зависящие от времени, от шума.
В своем анализе исследователям удалось не только различить две конформации (Т и АТ) рибопереключателя SAM-I, но и четыре конформации (Т1, Т2, АТ1 и АТ2). Удивительно, но рибопереключатель не полностью переключался между структурами Т и АТ в присутствии и в отсутствие SAM, как ожидалось, а постоянно колебался между всеми состояниями, просто сдвигались веса. Результат, важный для биологической функции, заключался в том, что структурные колебания, наблюдаемые с прикрепленным SAM, происходили намного быстрее, чем без SAM. Поскольку последовательность рибопереключателя на матричной РНК расположена непосредственно перед управляемым геном, молекула РНК должна как можно быстрее формировать Т-структуру (выключаться) после синтеза в присутствии ПАМ для предотвращения последующего транскрипция гена, подлежащая контролю. Таким образом, ускорение структурных флуктуаций за счет присоединения ПАМ обеспечивает достаточно быстрое формирование Т-структуры. «Следовательно, динамика рибопереключателя SAM-I играет важную роль в его функционировании», - резюмирует Ниенхаус.«Эти подробные сведения о функционировании биомолекул являются результатом междисциплинарного подхода физики, биотехнологии и теоретической химии».