Forskare avslöjar hur en "molekylär maskin" i bakterieceller förhindrar dödlig DNA -vridning, vilket kan vara avgörande för utvecklingen av nya antibiotikabehandlingar.

DNA-replikation är avgörande för alla livsformer, men i vissa organismer kan det förhindras genom vändningar i DNA -sekvensen, kallas "supercoils". Om för många superspolar tillåts byggas upp, celler som är viktiga för att upprätthålla livet kommer att dö.

En molekylär maskin, kallas DNA-gyras, som finns i bakterieceller men inte i mänskliga celler, slappnar av vridningarna så att DNA-replikationen kan fortsätta som normalt, men fram till nu fanns det begränsad förståelse för hur det gör detta i realtid i faktiska levande celler.

Processen är särskilt intressant för läkemedelsutvecklare eftersom om DNA -gyras framgångsrikt kan avbrytas eftersom det fungerar för att stoppa vändningar i bakteriella DNA -celler, bakterierna kommer att dö och hotet om infektion mot värden förhindras.

Gult sken

Teamet från University of York, i samarbete med John Innes Centre, Oxford, och Adam Mickiewicz universitet, Polen, använde ett speciellt lasermikroskop för att skina ett ljus på ett fluorescerande protein, vilket får DNA -gyras att lysa gult. Detta gjorde det möjligt för forskare att se inuti en bakteriecell och, för första gången, observera hur det molekylära maskineriet förhindrar vridningar i DNA.

Professor Mark Leake, från University of Yorks institutioner för biologi och fysik, sa:"Genom att använda modifierade fluorescerande proteiner kan DNA-gyraset fås att lysa gult medan det cellulära maskineriet, som används för att faktiskt replikera DNA, kan märkas med ett annat rödglödande protein.

"Dessa separata färger kan sedan delas upp i olika detektorkanaler för att göra det möjligt att observera den exakta platsen för DNA-gyras i förhållande till den exakta punkten där DNA-replikation faktiskt sker inuti en enda levande bakteriecell."

Forskarna har upptäckt att DNA-gyras fokuserar sina vridavslappningsaktiviteter precis framför den punkt där DNA replikeras i en cell.

Nanoskala

Professor Leake sa:"De molekylära maskiner som utför DNA-replikation skjuter längs DNA:t, men detta arbete kan resultera i små nanoskala vridningar av DNA som ackumuleras framför replikationsmaskineriet, precis som trassliga kablar på baksidan av din TV.

"Vi har nu visat att flera tiotals DNA-gyrasmolekyler aktivt binder till en zon direkt framför replikationsmaskineriet och slappnar av DNA-nano-vridningarna snabbare än själva replikationsmaskineriet rör sig längs DNA:t.

"De förhindrar i huvudsak en" vridbarriär "från att bygga upp som skulle hindra replikationsmaskiner från att skjuta längs DNA, stoppa replikering, och döda cellen."

Superbuggar

DNA-gyras är ett mål för ett antal olika antibiotika, men med flera "superbuggar" som är resistenta mot antibiotika, det är mer angeläget att förstå hur bakterieceller fungerar i realtid.

Professor Leake sa:"Nu när vi vet hur DNA-gyras verkligen utför sin roll i levande bakterier, vi kan hjälpa till med utformningen av nya typer av läkemedel som kan stoppa DNA-gyras från att fungera, vilket gör att läkemedel kan bli mer riktade och i slutändan döda farliga bakterieinfektioner hos människor.

"Mänskliga celler har liknande mekanismer för att lösa DNA-vridningar men med hjälp av olika molekylära maskiner, och vårt arbete med DNA-gyras i bakterier ger oss värdefulla insikter i de generaliserade mekanismerna som styr driften av denna klass av anmärkningsvärda biomolekyler för alla organismer."