Dokładne poznanie struktury rybosomów dla
skutecznej antybiotykoterapii
W ostatnich latach można zaobserwować zdolność szybkiego uodparniania się bakterii na antybiotyki, dlatego choroby takie jak gruźlica czy zapalenie opon mózgowych, które wcześniej były uznawane za uleczalne, obecnie są coraz groźniejsze, a lekarze mimo stosowania antybiotyków są wobec nich bezradni. Bakterie opanowały do perfekcji zdolność do uodparniania się na antybiotyki, bowiem te bakterie, które miały kontakt z danym antybiotykiem przekazują informacje jak się bronić, nawet tym bakteriom, które z lekiem nie miały żadnego kontaktu. Bakterie ulegają szybkiej mutacji, by w ten sposób skutecznie bronić się przed lekami. Główną przyczyną tego zjawiska jest nadużywanie antybiotyków przez lekarzy, stosowanie ich w paszach, płynach odkażających i czyszczących(mydła, płyn do mycia naczyń. Antybiotyki zawarte w tych substancjach likwidują bakterie wrażliwe na dany antybiotyk, ale jednocześnie przyśpieszają proces uodparniania się na nie innych szczepów bakterii. By spowolnić tempo, w jakim bakterie dzięki bardzo szybkiemu podziałowi komórek, potrafią zmienić swoją budowę tak by bronić się przed antybiotykami, powinny być stosowane ostrożnie - tylko w razie konieczności.
Nagrodę Nobla w 2009 roku przyznano dla Venkatraman Ramakrishnan, Thomas A. Steitz oraz Ada E. Yonath w dziedzinie biochemii za pracę nad strukturą rybosomów. Odkryli oni, za pomocą techniki krystalografii rentgenowskiej pozycję każdego z setek tysięcy atomów tworzących rybosom. Ada Yonath wybrała szczególnie stabilne rybosomy z żyjącej w gorących źródłach bakterii Geobacillus stearothermophilus oraz mikroorganizmu Haloarcula marismortui w niezbędnej dla potrzeb krystalografii postaci krystalicznej.
Zespół pracujący w laboratorium Marata Yusupova w IGBMC najpierw zmniejszył poziom glukozy dostępnej dla drożdży, z których zamierzał uzyskać rybosomy. Uruchomiło to proces translacji, którzy stworzył homogeniczną populację pustych rybosomów. Następnie użył "bardzo szybkich i delikatnych" metod oczyszczenia, aby uzyskać kryształy rybosomów, których strukturę zamierzał zbadać przy pomocy promieni rentgenowskich.
Wbrew oczekiwaniom pierwsze struktury krystalograficznie wyraźnie wykazały, że białka rybosomalne tylko dekorują peryferie cząsteczki i stanowią prawdopodobnie jedynie elementy strukturalne, podczas gdy główny aparat enzymatyczny stanowi RNA. Okazało się, że rybosom funkcjonuje jako rybozym, czyli enzym RNA.
Zdjęcia z mikroskopu elektronowego ujawniły, że mała podjednostka składa się z głowy i korpusu, natomiast duża podjednostka ma wcięcie dopasowane do przestrzeni między głową a korpusem małej podjednostki
Komórka E.coli zawiera około 20 000 rybosomów. Analiza ich struktury z użyciem metod mikroskopowych, genetycznych, biochemicznych i fizykochemicznych udowodniła, że rybosomy mają kilka centrów aktywnych, złożonych z grupy białek rybosomowych i określonych regionów rRNA.
Około połowa RNA tworzy dwuniciowe struktury drugorzędowe. Dupleksy RNA nie są sparowane idealnie i zawierają wiele pojedynczych zasad, często umiejscowionych w rejonach konserwowanych np. 16S rRNA. Konformacja rRNA jest zmienna i zależy od procesu translacji. Niektóre z tych zmian mogą być indukowane połączeniem się dwóch podjednostek rybosomów, bądź przyłączeniem się do rybosomu mRNA i tRNA. Rybosomowy RNA pełni również funkcje katalityczne. Wykazano, że 23S rRNA w reakcji transkrypcji-translacji in vitro ma aktywność transferazy peptydowej, a więc może katalizować utworzenie wiązania peptydowego.
W małej podjednostce rybosomalnej wyraźnie widoczny jest poziomy kanał, w którym przesuwa się odczytywany nośnik informacji genetycznej. Mała podjednostka to centrum dekodowania mRNA. Centrum katalityczne zlokalizowane jest w dużej podjednostce. Tu znajduje się centrum PTC (Peptidyl Transfer Center), gdzie powstają nowe wiązania peptydowe. W czasie pracy, do rybosomu przyłączone są trzy cząsteczki tRNA w różnych fazach przekazywania dostarczonego aminokwasu, odpowiadających trzem pozycjom rybosomalnym: A (Aminoacylo), P (Peptydylo) i E (Exit). W miejscu P do rosnącego łańcucha białkowego (wydłużanego na C-końcu) przyłączony jest ostatnio dostarczony aminokwas, a wraz z nim, poprzez związaną estrowo grupę O3' ramienia akceptorowego - cząsteczka tRNA, która ten aminokwas dostarczyła. W miejscu A dokuje kolejna cząsteczka aminoacylo-tRNA. Wolna grupa aminowa przyniesionego przez nią aminokwasu atakuje nietrwałe wiązanie estrowe w miejscu P. Tworzy się nowe wiązanie peptydowe. Dzięki niemu, teraz tRNA z miejsca A jest chwilowo dołączony do wydłużonego łańcucha białkowego, poprzedni tRNA jest natomiast już "rozładowany" i przesuwa się w miejsce E, przygotowując się do opuszczenia rybosomu. Jego miejsce na pozycji P zajmuje cząsteczka tRNA przesuwająca się z pozycji A. Zwolniona pozycja A zostaje zajęta przez kolejną "załadowaną" cząsteczkę aminoacylo-tRNA. Sytuacja powtarza się. Podsumowując, osiadająca na rybosomie cząsteczka aminoacylo-tRNA zajmuje pozycję A. W trakcie reakcji doznaje translokacji A→P→E i opuszcza rybosom już bez "ładunku" aminokwasowego.
W czasie jednego cyklu odczytu mRNA mała podjednostka wykonuje ruch obrotowy, kontrolowany przez podwójnie helikalny rybosomalny RNA, który działa jak naciągana sprężyna. W trakcie tego ruchu mechanizm dekodujący małej podjednostki przesuwa się aż o 15 Å. Badania Cate'a wskazują, że "smarem" w obszarze styku podjednostek jest przede wszystkim "słona woda", tj. cząsteczki wody i jony nieorganiczne. Wyjaśnia to, dlaczego działanie rybosomu jest tak wrażliwe na stężenie soli.
Inicjacja translacji bakteryjnego mRNA wymaga specjalnej sekwencji, zwanej miejscem wiązania rybosomów (RBS ang. ribosome binding site) albo sekwencją Shine-Dalgarno, oddalonej średnio o 10 pz od kodonu inicjacyjnego. Wiązanie to jest wynikiem częściowej komplementarność RBS i 16S rRNA. Pomiędzy tymi dwoma cząsteczkami występują wiązania wodorowe. Sekwencja Shine-Dalgarno składa się z sześciu par nukleotydów purynowych 5'AGGAGG3'. W wiązaniu tym bierze udział czynnik inicjacyjny IF-3 (ang. initiation factor). Jego obecność zapobiega przedwczesnemu związaniu się z kompleksem translacyjnym dużej podjednostki rybosomu (50S). Dla prawidłowego przebiegu procesu konieczne jest związanie z kompleksem najpierw inicjatorowej cząsteczki tRNAfMet, oraz czynników IF-1, IF-2 stabilizujących kompleks inicjacyjny.
Wieloletnie prace noblistów wyjaśniły szczegóły procesu biosyntezy białek w komórce, a także dokładną strukturę chemiczną i przestrzenną rybosomów. Badaczom udało się za pomocą metody krystalografii rentgenowskiej zmapować każdy z kilkuset tysięcy atomów, które tworzą rybosom. Odkryli, iż rybosomy komórek bakteryjnych są bardziej wrażliwe na działanie niektórych toksyn niż rybosomy komórek eukariotycznych .Naprowadziło to naukowców na pomysł stosowania tych substancji jako antybiotyków (przede wszystkim z grupy aminoglikozydów - neomecyna gentamycyna czy tobramycyna). Wiążą się one na trwale z podjednostką 30S rybosomu bakterii. Prowadzi to do zahamowania syntezy białek bakteryjnych. Trochę inne działanie ma streptomycyna , gdyż niszczy ona kompleks mRNA z rybosomem.
Rybosom jest celem dla wielu antybiotyków np. przeciwbakteryjnych. Do tej pory antybiotyki były izolowane ze środowiska naturalnego i dalej udoskonalane. Teraz możemy poznać jak antybiotyk funkcjonuje, jak ulega interakcjom z rybosomem i opracować antybiotyki nowej generacji, które będą działały znacznie szybciej, wydajniej, mniej toksycznie i będą mogły niszczyć nowe szczepy bakterii, które obecnie są oporne na antybiotyki dostępne na rynku.