Los ribosomas, máquinas macromoleculares que consisten en ARN y proteínas que se retuercen, doblan y giran, son responsables de producir todas las proteínas dentro de una célula y podrían ser la clave para descifrar una variedad de enfermedades. A pesar de las complejidades de los ribosomas, las célulasson capaces de producir 100,000 de ellos cada hora, pero debido a que se ensamblan tan rápido, los investigadores no han podido descubrir cómo se unen.
Una colaboración dirigida por el Instituto Salk para Estudios Biológicos y el Instituto de Investigación Scripps en La Jolla, California, desplegó un método de imagen de vanguardia llamado microscopía crioelectrónica de una sola partícula cryo-EM y las herramientas de análisis que lo acompañan para descifrar algunos delos pasos clave sobre cómo se ensamblan los ribosomas, un primer paso para comprender su papel en la salud y la enfermedad. Los resultados se publican en línea el 1 de diciembre de 2016 en la revista Celda .
"Estas nuevas estructuras que capturamos con cryo-EM muestran que es posible imaginar e interpretar diversas máquinas moleculares en acción", dice el coautor principal del estudio, Dmitry Lyumkis, miembro de Helmsley-Salk en Salk. "Esta es unaforma completamente diferente de ver y hacer biología estructural. Este documento es un excelente ejemplo del hecho de que podemos hacer análisis mucho más complejos de lo que se esperaba ".
Comprender las estructuras moleculares es importante no solo para la investigación básica en biología sino también para el proceso de desarrollo de fármacos para comprender mejor cómo hacer medicamentos más seguros y más efectivos. Los investigadores tradicionalmente recurren a la cristalografía de rayos X, un método que requiere que sus usuarios utilicen ampliamentepurifique una molécula y luego vuelva a hacerla en forma de cristal, pero este método tiene limitaciones.
En los últimos años, los avances en cryo-EM han permitido a los científicos obtener imágenes de partículas individuales con una resolución comparable a la de los métodos tradicionales de rayos X. Pero en cryo-EM de partículas individuales, las proteínas las "partículas" son instantáneascongelados e imágenes usando corrientes de electrones, lo que significa que las moléculas no necesitan cristalizarse y pueden retener gran parte de su estructura nativa. Aunque cryo-EM ha existido por un tiempo, las nuevas cámaras están haciendo que sea más fácil capturar proteínas a gran alturaresolución antes de que el aerosol de electrones los destruya.
Es importante destacar que las herramientas computacionales para analizar los datos de cryo-EM han madurado de tal manera que los investigadores ahora pueden purificar moléculas en silico por una computadora en lugar de a través de enfoques bioquímicos tradicionales. Esto se convierte en un enfoque mucho más poderoso para separar mezclas de especies, permitiendo a los investigadores identificar y distinguir poblaciones de partículas estructuralmente distintas con mayor detalle que antes.
En el nuevo estudio, el coautor principal James Williamson, profesor de biología molecular y química en el Instituto de Investigación Scripps, y su equipo desarrollaron un método para detener un componente principal de los ribosomas, la subunidad de los años 50, que se unieron tan rápidamente.Los científicos pudieron pausar químicamente una mezcla de diferentes moléculas en varias etapas de ensamblaje.
El grupo de Lyumkis luego usó cryo-EM de alta gama para obtener imágenes y analizar estas estructuras estancadas, que no se habían intentado para una mezcla de diversas formas de una molécula en particular.
"Otros han demostrado que puedes capturar un par de estados estructurales diferentes de una molécula", dice Lyumkis. "Pero, hasta donde yo sé, nadie ha intentado tomar esta cruda mezcla de cosas, ponerla en un crio-EM cuadrícula, y preguntar qué había allí ".
El equipo descubrió que hay al menos 15 tipos de complejos en la mezcla, 13 de los cuales están ensamblando activamente subunidades 50. Tomaron imágenes de cada una de estas estructuras con una resolución lo suficientemente alta como para descifrar los constituyentes de proteínas y ARN. Luego fueron capacesusar algoritmos informáticos para ordenar los complejos de acuerdo con su ruta de ensamblaje.
El análisis del equipo sugiere que los ribosomas pueden tomar varias rutas diferentes para el ensamblaje, lo cual es importante para garantizar que el proceso sea eficiente y pueda soportar una variedad de tensiones celulares, según Williamson. "Si imagina una línea de ensamblaje donde cada paso tienepara que suceda en orden secuencial, y hay un problema en uno de esos pasos, todo se detiene ", dice." Si hay vías paralelas, entonces el ensamblaje puede proceder a través de otros canales hasta que se resuelva el problema.
Los científicos tardaron más de un año en dar sentido a las estructuras, empleando herramientas de análisis de imágenes relativamente nuevas. Pero han sentado las bases para estudiar otras máquinas moleculares grandes, dinámicas y estructuralmente heterogéneas, lo que, según Lyumkis, conducirá anueva ciencia básica y descubrimientos traslacionales.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto Salk . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
Referencia del diario :
Cita esta página :