Många bakterier har molekylära kontrollelement via vilka de kan slå på och stänga av gener. Dessa riboswitchar öppnar också för nya alternativ för utveckling av antibiotika eller upptäckt och nedbrytning av miljögifter. Forskare vid Karlsruhe Institute of Technology (KIT), Heidelbergs universitet, och Freie Universität Berlin har nu använt ljusoptisk mikroskopi av enskilda molekyler för att i grunden studera hur riboswitchar fungerar. Detta rapporteras i Naturens kemiska biologi .

Riboswitchar är placerade på budbärarens ribonukleinsyra (mRNA) som transporterar genetisk information till platsen för proteinbiosyntesen. En riboswitch består av en sensor som mäter koncentrationen av en liten metabolisk molekyl och en effektor som kontrollerar genuttryck och, därav, syntes av ett protein. Eftersom riboswitchar finns i många bakteriella patogener, de representerar viktiga mål i utvecklingen av nya antibiotika. Andra tillämpningar är möjliga inom syntetisk biologi. Till exempel, bakterier kan genetiskt modifieras med riboswitchar för att upptäcka och bryta ner lågmolekylära miljögifter, såsom herbicider. Dock, grundläggande förståelse för de processer som ligger bakom riboswitcharnas funktion krävs. Arbetet som presenteras i Naturens kemiska biologi är ett väsentligt bidrag i detta avseende.

Forskargrupperna av professor Gerd Ulrich Nienhaus från KIT och professor Andres Jäschke vid Heidelbergs universitet studerade S-adenosyl-L-metionin (SAM)-I riboswitch. "Bindning av SAM-molekylen till denna riboswitch orsakar konformationen, det är det rumsliga arrangemanget av atomer, att ändra från antiterminator (AT) till terminator (T) struktur, " Nienhaus förklarar. "Som ett resultat, genuttryck är avstängt."

Först, forskarna i Heidelberg syntetiserade SAM-I riboswitchar och märkte dem specifikt med två fluorescerande färgämnen vardera vid olika punkter. Forskarna vid KIT studerade sedan dessa RNA-molekyler med hög rumslig och tidsmässig upplösning med hjälp av mycket känsliga ljusmikroskop som mätte fluorescerande emission av enfärgade molekyler. Med hjälp av Förster resonansenergiöverföring (FRET) experiment, konformationsdynamiken bestämdes direkt. För det här syftet, laserstrålning används för att få ett grönt färgämne att avge ljus. Om ett rött färgämne finns i närheten, det kan ta över excitationsenergin från det gröna färgämnet och självt avge ljus.

Sannolikheten för energiöverföring beror starkt på färgämnenas avstånd från varandra. Strukturella förändringar av en molekyl till vilken färgämnena är specifikt fästa kan observeras direkt via emission av det röda färgämnet. Ljusemissionen är extremt svag, kräver komplexa dataanalysmetoder baserade på dold Markov-modellering. Professor Bettina Keller vid Institutet för kemi och biokemi vid Freie Universität Berlin utvecklade metoderna speciellt för denna typ av experiment för att särskilja tidsberoende ljusemissionssignaler från brus.

I sin analys, forskarna urskiljde två konformationer (T och AT) av SAM-I riboswitch, och totalt fyra konformationer (T1, T2, AT1, och AT2). Förvånande, riboswitchen växlade inte helt mellan T- och AT-strukturerna i närvaro och frånvaro av SAM, som förväntat, men fluktuerade permanent mellan alla stater – endast viktningar flyttades. Ett resultat som var viktigt för den biologiska funktionen var att strukturfluktuationer observerade med en ansluten SAM var mycket snabbare än utan SAM. Eftersom riboswitch-sekvensen på budbärar-RNA:t ligger direkt framför genen som ska kontrolleras, RNA-molekylen måste bilda en T-struktur (stänga av) så snabbt som möjligt efter syntes i närvaro av SAM för att förhindra efterföljande transkription av genen som ska kontrolleras. Acceleration av strukturfluktuationer genom SAM-infästning säkerställer således tillräckligt snabb bildning av en T-struktur. "Följaktligen, dynamiken hos SAM-I riboswitch spelar en viktig roll för dess funktion, " säger Nienhaus. "Dessa detaljerade insikter om hur en biomolekyl fungerar är resultatet av ett tvärvetenskapligt tillvägagångssätt inom fysik, bioteknik, och teoretisk kemi."