A pesquisa inovadora na nova linha de luz de cristalografia macromolecular de comprimento de onda (I23) na Diamond Light Source demonstrou pela primeira vez a localização de íons de potássio em ribossomos bacterianos. Os ribossomos são as fábricas de proteínas das células e, embora sejam vitais para a vida, pouco se sabia sobre os locais de íons metálicos que são cruciais para sua estrutura e função. O trabalho publicado recentemente em Nature Communications mostra as aplicações fantásticas da linha de luz I23 e lança luz sobre o importante papel dos íons de potássio.

Ribossomos são fábricas de proteínas gigantes que residem em células de todas as formas de vida, e são responsáveis ​​pela conversão precisa da informação genética em proteínas. Eles são os conjuntos de RNA-proteína mais complexos na célula e precisam de íons metálicos para manter sua estrutura e função. Embora seja um componente tão importante de uma célula, o tipo e a localização exatos dos íons de metal dentro desses grandes complexos ainda não haviam sido definidos. Na verdade, esforços anteriores para caracterizar o ribossomo superenfatizaram a importância dos íons de magnésio, então outros íons de metal foram amplamente ignorados.

Uma equipe internacional de pesquisadores procurou definir totalmente o papel do potássio nos ribossomos. Usando a única linha de luz de cristalografia macromolecular de comprimento de onda longo (I23) em Diamond, a equipe foi capaz de localizar centenas de íons de potássio nos ribossomos bacterianos. A técnica de ponta demonstrou pela primeira vez em uma base estrutural 3-D que os íons de potássio não estavam apenas envolvidos na formação geral da estrutura do RNA ribossômico (rRNA) e proteínas ribossomais, mas que também desempenhavam um papel importante em sua função.

Esses resultados preenchem uma enorme lacuna de conhecimento e também podem levar a potenciais aplicações terapêuticas. Compreendendo totalmente os meandros dos ribossomos bacterianos, espera-se que eles possam ser direcionados ao desenvolvimento de novas classes de antibióticos.

Magnésio por padrão

Os ribossomos são essenciais para a síntese de proteínas e são compostos por duas subunidades complexas. Embora sua estrutura tenha sido previamente caracterizada por cristalografia de raios-X e microscopia crioeletrônica (crio-EM), os íons metálicos exatos que sustentam sua estrutura e função têm iludido os cientistas.

Quando os ribossomos são submetidos a experimentos de difração, os íons metálicos contribuem para regiões de densidade eletrônica. Por padrão, pesquisadores atribuíram essa densidade aos íons de magnésio para gerar modelos estruturais 3-D. Contudo, sabe-se que o potássio também desempenha um papel importante dentro dos ribossomos, pois sua retirada leva ao desdobramento.

Este esforço colaborativo europeu envolve Gulnara Yusupova e Marat Yusupov do Instituto de Genética e Biologia Molecular e Celular (IGBMC, Estrasburgo, França), e Alexey Rozov de uma empresa spin-out do IGBMC chamada "RiboStruct". Trabalhamos há 30 anos rumo ao nosso objetivo principal, para entender como a estrutura atômica do ribossomo, em última análise, determina sua função extraordinária:a síntese de proteínas. O potássio é um cátion mais abundante nas células, e, como tal, foi considerado importante para todos os processos celulares, mas sua influência na tradução nunca foi estudada em detalhes ", afirmou a equipe de Gulnara Yusupova e Marat Yusupov. Assim, eles embarcaram em um longo estudo auxiliado pela equipe do Dr. Armin Wagner em I23 para caracterizar completamente os íons de potássio nos ribossomos bacterianos.

Instalação única

Levando mais de dois anos para se desenvolver, I23 é uma instalação exclusiva da Diamond que cobre uma faixa de energia não disponível em nenhum outro síncrotron do mundo. Dr. Wagner, O cientista principal da linha de luz da I23 e um dos autores do estudo explicaram as capacidades da linha de luz:"A faixa única de comprimento de onda nos permite realmente direcionar a ligação do potássio. Portanto, podemos fazer experimentos em torno da borda de absorção que nos permite calcular 3 Mapas -D que destacam os átomos que contribuem para a dispersão. "

O estudo se concentrou em ribossomos bacterianos de Thermus thermophilus. Os pesquisadores concentraram seus esforços nas estruturas cristalinas dos ribossomos em complexo com RNA mensageiro e RNA de transferência. Medindo os sinais de dispersão anômalos na borda K, eles puderam detectar os íons de potássio.

A equipe do Dr. Wagner em I23 ajudou a planejar e realizar o estudo, que foi o primeiro de seu tipo no mundo. Estudar um dos sistemas biológicos mais complexos foi cansativo e as equipes do IGBMC e do RiboStruct passaram mais de um ano analisando os dados para localizar íons de potássio com uma precisão sem precedentes.

Papel vital do potássio

A equipe viu centenas de íons de potássio, e muitos ocupavam posições importantes dentro do ribossomo. O mais importante estabiliza o centro de decodificação quando ligado ao RNA mensageiro, que transmite informações genéticas para o ribossomo. Esses insights realmente mostram o papel vital do potássio na síntese de proteínas.

Tipicamente, crio-EM é amplamente utilizado para explorar a estrutura ribossômica, mas este estudo demonstra que a cristalografia pode oferecer percepções únicas. A localização precisa do potássio e de outros íons metálicos ainda não é possível com os elétrons.

As equipes continuarão seus esforços para caracterizar ribossomos usando crio-EM e cristalografia e pretendem examinar organismos superiores no futuro. Na Diamond, O Dr. Wagner pretende realizar o potencial do I23 como uma valiosa ferramenta de pesquisa. "I23 é atualmente a única instalação onde esta pesquisa poderia ter sido realizada. Isso mostra que I23 pode determinar a posição de átomos leves como o potássio, cálcio, cloro, fósforo, enxofre, todos os átomos de alto significado biológico. Este estudo é apenas o começo e esperamos resultados mais interessantes da linha de luz, "concluiu.