Ученые разработали платформу, которая позволяет наблюдать за работой рибосом — «молекулярных машин», отвечающих за образование белков. С помощью технологии микротермофореза, при котором вещества движутся в стеклянных капиллярах по градиенту температуры, и флуоресцентно меченных белков исследователи смогли проследить, как различные молекулы взаимодействуют с рибосомой. Инструмент будет полезен при тестировании новых антимикробных соединений, в том числе антибиотиков, нарушающих производство бактериальных белков, и выяснении механизмов устойчивости к существующим препаратам. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в International Journal of Molecular Sciences.
Во всех живых клетках белки синтезируются благодаря трансляции — процессу, когда генетическая информация, считанная с ДНК и заключенная в молекулах матричной РНК, преобразуется в последовательность аминокислот, из которых строятся белки. Такое преобразование происходит в рибосомах — «молекулярных машинах» для синтеза белков.
Поскольку трансляция — жизненно необходимый процесс, в том числе для бактерий, она служит главной мишенью для многих антимикробных веществ, в числе которых и антибиотики. Лекарство, проникая в клетку, нарушает какой-либо этап синтеза белка, в результате чего микроорганизм погибает. Однако бактерии способны приобретать устойчивость, немного меняя структуру молекул, участвующих в трансляции, из-за чего препараты перестают действовать. Чтобы разрабатывать новые антибиотики, а также повышать эффективность уже известных препаратов, нужно знать все молекулярные взаимодействия, лежащие в основе трансляции. При этом существующие методы или требуют сложного оборудования и небезопасных радиоактивных меток, или недостаточно точны.
Ученые из Петербургского института ядерной физики имени Б.П. Константинова НИЦ «Курчатовский институт» (Гатчина), Перуанского университета прикладных наук (Перу) и Института биологического интеллекта Макса Планка (Германия) предложили новый инструмент, основанный на методе микротермофореза.
Суть метода заключается в том, что исследователь помещает светящиеся молекулы-метки в микрокапилляр (тонкую стеклянную трубку), на который светят инфракрасным лазером, а затем наблюдает за их движением. Лазер создает градиент (плавный переход) температуры, действующий подобно движущей силе, которая заставляет меченые молекулы перемещаться либо в более теплую зону, либо в холодную. При этом скорость и направление движения молекул зависит от их размера, заряда и особенностей оболочки.
Если к меченой молекуле присоединить какого-нибудь «партнера», скорость ее движения по капилляру также изменится, что позволит точно выявить взаимодействие и даже оценить силу связывания пары.
Сложность в использовании этого метода для наблюдения за трансляцией состояла в том, чтобы подобрать светящиеся метки, не нарушающие работу рибосом и других участвующих в процессе молекул, а также применить данную технологию к изучению сложной многокомпонентной системы. Авторы нашли соответствующие красители и химически «пришили» их к интересующим веществам, а также разработали быстрый и простой способ мечения самих рибосом без нарушения их свойств.
Используя платформу на основе меченных молекул и термофореза, исследователи изучили все стадии первого и самого сложного этапа синтеза белка, во время которого с участием вспомогательных белков рибосома собирается и связывается с матричной РНК (мРНК), образуя сложный многокомпонентный комплекс.
Эксперимент показал, что необходимые для этого вспомогательные белки — факторы инициации — взаимно усиливают связывание друг друга и транспортной РНК с рибосомой. Более того, авторам удалось уточнить роли отдельных белков в этом сложном процессе. Таким образом, ученые продемонстрировали применимость модельной платформы для быстрого, контролируемого и бюджетного изучения сложного многокомпонентного комплекса.
Затем авторы применили предложенную платформу для исследования механизма работы соединений различной природы, подавляющих трансляцию: ДНК-аптамеров, антимикробного пептида и антибиотиков. Новая технология позволила быстро проанализировать взаимодействия веществ и оценить их силу связывания, что незаменимо для первоначального скрининга лекарств в процессе их разработки.
«Предложенный нами метод уже сейчас представляет собой готовый инструмент для фармацевтической индустрии, позволяющий быстро и точно тестировать возможности и механизмы действия потенциальных антимикробных соединений, что крайне важно в условиях растущей устойчивости микроорганизмов к лекарствам. В дальнейшем мы планируем также применять эту платформу для изучения фундаментальных основ трансляции, включая роль регуляторных элементов мРНК, что имеет ключевое значение для разработки мРНК-вакцин против вирусных инфекций и онкологических заболеваний», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Дарья Виноградова, кандидат физико-математических наук, научный сотрудник Петербургского института ядерной физики имени Б.П. Константинова НИЦ «Курчатовский институт».
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
