Banbrytande forskning vid den nya långvågiga makromolekylära kristallografistrålningen (I23) vid Diamond Light Source har för första gången visat var kaliumjoner finns i bakteriella ribosomer. Ribosomer är cellers proteinfabriker och även om de är livsviktiga, lite var känt om platserna för metalljoner som är avgörande för deras struktur och funktion. Verket publicerades nyligen i Naturkommunikation visar upp de fantastiska tillämpningarna av I23-strållinjen och belyser kaliumjonernas viktiga roll.

Ribosomer är gigantiska proteinfabriker som finns i celler från alla former av liv, och är ansvariga för korrekt omvandling av genetisk information till proteiner. De är de mest komplexa RNA-proteinsammansättningarna i cellen och behöver metalljoner för att behålla sin struktur och funktion. Även om en så viktig beståndsdel i en cell, den exakta typen och placeringen av metalljoner inom dessa stora komplex var ännu inte definierad. Faktiskt, tidigare försök att karakterisera ribosomen överbetonade vikten av magnesiumjoner, så andra metalljoner ignorerades till stor del.

Ett internationellt team av forskare försökte helt definiera rollen av kalium i ribosomer. Genom att använda den unika långvågiga makromolekylära kristallografistrållinjen (I23) vid Diamond, teamet kunde lokalisera hundratals kaliumjoner i bakteriella ribosomer. Den banbrytande tekniken visade för första gången på en 3D-strukturell basis att kaliumjoner inte bara var involverade i den övergripande bildningen av strukturen av ribosomalt RNA (rRNA) och ribosomala proteiner, men att de också spelade en viktig roll i dess funktion.

Dessa resultat fyller en enorm kunskapslucka och kan också leda till potentiella terapeutiska tillämpningar. Genom att till fullo förstå krångligheterna med bakteriella ribosomer, man hoppas att de kan bli inriktade på att utveckla nya klasser av antibiotika.

Magnesium som standard

Ribosomer är väsentliga för proteinsyntes och är sammansatta av två komplexa subenheter. Även om deras struktur tidigare har karakteriserats grundligt av röntgenkristallografi och kryo-elektronmikroskopi (kryo-EM), de exakta metalljonerna som stöder deras struktur och funktion har undgått forskarna.

När ribosomer utsätts för diffraktionsexperiment, metalljonerna bidrar till områden med elektrontäthet. Som standard, forskare har tillskrivit denna täthet till magnesiumjoner för att generera 3-D strukturella modeller. Dock, det är känt att kalium också spelar en viktig roll inom ribosomer eftersom dess tillbakadragande leder till utveckling.

Detta europeiska samarbete involverar Gulnara Yusupova och Marat Yusupov från Institute of Genetics and Molecular and Cellular Biology (IGBMC, Strasbourg, Frankrike), och Alexey Rozov från ett spin-out-företag från IGBMC som heter "RiboStruct. "Vi har arbetat i 30 år mot vårt huvudmål, att förstå hur ribosomens atomära struktur i slutändan bestämmer dess extraordinära funktion:proteinsyntes. Kalium är en mycket riklig katjon i cellerna, och som sådan ansågs viktig för alla cellulära processer, men dess inflytande på översättningen studerades aldrig i detalj." sade laget av Gulnara Yusupova och Marat Yusupov. Så de inledde en lång studie med hjälp av Dr. Armin Wagners team vid I23 för att helt karakterisera kaliumjoner i bakteriella ribosomer.

Unik anläggning

Det tar över två år att utveckla, I23 är en unik anläggning på Diamond som täcker ett energiområde som inte är tillgängligt på någon annan synkrotron i världen. Dr Wagner, Principal Beamline Scientist vid I23 och en av författarna till studien förklarade strållinjens kapacitet:"Det unika våglängdsintervallet tillåter oss att verkligen rikta in bindningen av kalium. Så vi kan göra experiment runt absorptionskanten som tillåter oss att beräkna 3 -D-kartor som framhäver atomerna som bidrar till spridningen."

Studien fokuserade på bakteriella ribosomer från Thermus thermophilus. Forskarna koncentrerade sina ansträngningar på kristallstrukturer av ribosomerna i komplex med budbärar-RNA och överförings-RNA. Genom att mäta de anomala spridningssignalerna vid K-kanten kunde de upptäcka kaliumjonerna.

Dr. Wagners team på I23 hjälpte till att planera och utföra studien, som var den första i sitt slag i världen. Att studera ett av de mest komplexa biologiska systemen var belastande och teamen från IGBMC och RiboStruct ägnade över ett år åt att analysera data för att lokalisera kaliumjoner med oöverträffad precision.

Vital roll för kalium

Teamet såg hundratals kaliumjoner, och många var i viktiga positioner inom ribosomen. Den viktigaste stabiliserar avkodningscentret när den är bunden till budbärar-RNA, som förmedlar genetisk information till ribosomen. Dessa insikter visar verkligen den viktiga roll som kalium har i proteinsyntesen.

Vanligtvis, cryo-EM används till stor del för att utforska ribosomala strukturer, men denna studie visar att kristallografi kan erbjuda unika insikter. Den exakta platsen för kalium och faktiskt andra metalljoner är inte möjlig med elektroner ännu.

Teamen kommer att fortsätta sina ansträngningar för att karakterisera ribosomer med både kryo-EM och kristallografi och de har för avsikt att titta på högre organismer i framtiden. På Diamond, Dr. Wagner strävar efter att realisera potentialen hos I23 som ett värdefullt forskningsverktyg. "I23 är för närvarande den enda anläggningen där denna forskning kunde ha utförts. Den visar att I23 kan bestämma positionen för lätta atomer som kalium, kalcium, klor, fosfor, svavel, alla atomer av hög biologisk betydelse. Denna studie är bara början och vi förväntar oss fler spännande resultat från strållinjen, " avslutade han.