تصاویر سه‌بعدی نشان می‌دهند که چگونه سلول‌های باکتریایی تولید پروتئین و انتقال آن را در غشاء هماهنگ می‌کنند

ویرایش شده توسط Sadie Harley، بررسی توسط Robert Egan

این مقاله با توجه به روند و سیاست های ویرایشی Science X بررسی شده است. ویراستاران ضمن اطمینان از اعتبار محتوا، ویژگی های زیر را برجسته کرده اند:

دانشمندان اغلب سلول‌ها را شهرهای کوچک و شلوغ با قطعاتی شبیه کارخانه‌ها، شبکه‌های برق و سیستم‌های حمل و نقل می‌دانستند. در حالی که تحقیقات گذشته اجزای منفرد این شهرهای سلولی را روشن کرده است، دانشمندان ابزاری برای بررسی عمیق‌تر نحوه تعامل این عناصر ندارند.

با این حال، محققان از گروه تحقیقاتی EMBL هایدلبرگ جولیا مهامید، از قدرت توموگرافی کرایو الکترونی (cryo-ET) استفاده کرده اند تا دقیقا این کار را انجام دهند: تجسم نحوه اتصال فرآیندهای سلولی مختلف. آخرین یافته های آنها در دو مقاله در مجله Cell منتشر شده است.

جو دابز، نویسنده اصلی یکی از این دو مقاله و دکترای سابق، گفت: «هر دو پروژه اساسا اثبات مفهومی برای این نوع تحلیل هستند. همکار گروه مهامید او اکنون پژوهشگر فوق دکترا در موسسه تحقیقات مغز ماکس پلانک در فرانکفورت است.

هر دو مقاله به جای نگاه کردن به یک نوع مولکول مجزا، تعاملات بین سیستم‌های سلولی مختلف را با یک رشته مشترک از درک چگونگی هماهنگی فرآیندهای مختلف بررسی می‌کنند.

داب و همکارانش بر روی تصویربرداری از باکتری مایکوپلاسما پنومونیه با استفاده از کرایو-ET تمرکز کردند. تکنیک تصویربرداری به دانشمندان اجازه می‌دهد تا درون سلول‌های منجمد شده با فلاش را به صورت سه بعدی و با جزئیات زیاد ببینند و ساختار ماشین‌های مولکولی را آشکار کنند.

دانشمندان از این فناوری برای بازسازی نقشه‌های با وضوح بالا و شمارش نمونه‌های ماشین‌های تولید پروتئین (ریبوزوم‌ها) در حالت‌های عملکردی مختلف در صدها سلول منفرد استفاده کردند. از آنجایی که پروتئین ها بسیاری از کارهایی را که یک سلول برای زنده ماندن نیاز دارد انجام می دهند، درک این فرآیند به ما کمک می کند تا یاد بگیریم سلول ها چگونه کار می کنند، چرا بیماری ها رخ می دهند و چگونه داروهای بهتری تولید کنیم.

در میان یافته‌های دیگر، دانشمندان چندین مجتمع جدید را مشاهده کردند که مستقیما رونویسی - فرآیند تولید mRNA از DNA - را با ترجمه، فرآیند تولید پروتئین، مرتبط می‌کند. این به آنها کمک کرد تا بفهمند که چگونه تولید پروتئین تنظیم می‌شود، شواهد ساختاری برای "ابر مجتمع‌های" فرضی طولانی‌مدت ارائه کرده و مکانیسم‌های مولکولی جدیدی را برای کنترل فرآیندهای در هم تنیده پیشنهاد کنند.

آنها همچنین بخش هایی از ریبوزوم را پیدا کردند که به غشای سلولی متصل است، حتی زمانی که پروتئین تولید نمی کردند. نتایج آنها نشان می دهد که این زیر واحدها ممکن است تنها زمانی از غشاء جدا شوند که شرایط اجازه می دهد دور جدیدی از تولید پروتئین آغاز شود.

این رفتار شبیه به آنچه در سلول‌های پستانداران دهه‌ها پیش مشاهده شد، است و یافته‌های جدید نشان می‌دهد که چنین مکانیسم‌هایی ممکن است از باکتری‌ها به انسان حفظ شود.

دابز گفت: "من به آن به عنوان یک شهر فکر می کنم." ماشین‌های مولکولی که من روی آن‌ها کار می‌کنم مانند کارخانه‌های کوچکی هستند که چیزهایی تولید می‌کنند، در حالی که برخی از همکاران من در حال مطالعه سیستم‌هایی هستند که آن محصولات را حمل و پردازش می‌کنند. آنها با هم، بخش‌های مختلف یک جامعه مولکولی زنده را در داخل سلول تشکیل می‌دهند - بسیار شبیه شهری با فعالیت‌های تخصصی مختلف که همه با هم کار می‌کنند.

این تمرکز بر تعامل بین ماشین‌های مولکولی، به جای ماشین‌های مجزا، بخشی از چیزی است که این دو مقاله را بدیع می‌کند.

راسموس جنسن در جای دیگری از گروه مهامید، تحقیقاتی را بر روی سیستمی که مسئول حمل و نقل پروتئین و تا شدن در غشای سلولی است، رهبری می‌کرد. او می خواست بهتر بفهمد که پس از تولید پروتئین ها چه اتفاقی می افتد.

جنسن توضیح داد: "جو با یک سوال بیولوژیکی که می خواست به آن پاسخ دهد شروع کرد." "من از جهت مخالف شروع کردم. ما چیز جالبی را در سلول دیده بودیم و به عقب کار کردیم تا بفهمیم چیست، در نهایت متوجه شدیم که این یک پیکربندی جدید از یک ماشین مولکولی است که به پروتئین ها کمک می کند یا از سلول خارج شوند یا به غشای آن وارد شوند."

با ترکیب تصویربرداری cryo-ET، پروتئومیکس و پیش‌بینی‌های ساختار پروتئین محاسباتی، این تیم دریافتند که این دستگاه حاوی Sec-translocon معروف است، یک کانال پروتئینی در غشای سلولی که مانند دری برای انتقال پروتئین‌های جدید ساخته شده به خارج از سلول عمل می‌کند. همچنین حاوی سه پروتئین ناشناخته است که به پروتئین‌های منتقل شده کمک می‌کنند تا به شکل عملکردی صحیح خود برسند.

Cryo-ET به محققان اجازه داد تا دقیق‌ترین تصاویر را تا کنون از بخش حفاظت‌شده دستگاه انتقال پروتئین باکتریایی ایجاد کنند. این تصاویر نشان داد که چگونه پروتئین‌های ترجمه شده توسط ریبوزوم‌ها از طریق غشای سلولی شروع به حرکت می‌کنند و نشان داد که انتقال پروتئین ارتباط نزدیکی با یک سیستم تا شدن پروتئین تازه کشف‌شده در خارج از سلول در مایکوپلاسما پنومونیه دارد.

مهامید، رهبر گروه EMBL و نویسنده ارشد هر دو مقاله، گفت: "با همکاری بسیاری از همکاران در EMBL، ما تخصص در میکروبیولوژی، پروتئومیکس، بیوانفورماتیک، زیست شناسی ساختاری و مدل سازی یکپارچه را ترکیب کردیم."

"این مقاله کل داستان فرآیند کشف را بیان می کند: تجسم یک ماشین سلولی جدید، شناسایی ژن ها و پروتئین ها، و کشف نحوه عملکرد همه آنها. این یک دستاورد قابل توجه است و راه های جدیدی را برای شناسایی مجتمع ها و عملکردهای جدید در سیستم های مختلف باز می کند."

در حالی که اکتشافات به خودی خود جالب هستند، مطالعات همچنین پایه های مفهومی تحقیقات آینده را ایجاد می کنند.

جنسن می‌گوید: «هم در کار جو و هم در کار من، ما با چیزی شروع کردیم که به آن سلول مینیمال می‌گوییم که همه چیز نسبتا ساده است». ما آنچه را که از نظر مفهومی در این باکتری حداقلی ممکن است، توسعه داده‌ایم و راه‌هایی برای اعمال این روش‌ها در موجودات پیچیده‌تر ایجاد کرده‌ایم.»

مهامید گفت: «آینده در حال مطالعه جوامع مولکولی است. «دهه‌ها زیست‌شناسی ساختاری که روی مولکول‌های جدا شده انجام شده است، دیدگاه‌های دقیقی از ساختارها و عملکردهای آنها در اختیار ما قرار می‌دهد.

"در گذشته، ما فقط فناوری بررسی تعاملات پیچیده تر و گفتگوهای متقابل آنها را نداشتیم. این کار دوباره به این نکته اشاره می کند که چگونه cryo-ET یک فناوری توانمند است که به ما امکان می دهد چیزهای جدید و اتصالات درون سلول ها را ببینیم. به نظر می رسد توانایی آن برای نشان دادن بیشتر به ما فقط با پرسیدن سوالات درست محدود شده است."

ارائه شده توسط آزمایشگاه بیولوژی مولکولی اروپا

کارشناسی علوم زیستی و اکولوژی. پیشینه آزمایشگاه میکروبیولوژی با تجربه اخبار دارویی در صنایع نفت، گاز و تجدیدپذیر. نمایه کامل →

لیسانس زیست شناسی ریاضی، کارشناسی ارشد در نوشتن خلاق. خوش سفر با دیدگاه های منحصر به فرد در علم و زبان. نمایه کامل →