Nature：科学家首次从原子细节上观察抗生素如何在致病菌中发挥作用

众所周知，细胞是构成生物体的基本结构和功能单位；而蛋白质就如同细胞的“灵魂”，每个活细胞都要依赖蛋白质来发挥功能。蛋白质的合成过程（翻译）对细胞的生存至关重要。从细菌到人类的所有生物细胞中都存在核糖体，这些最古老的大分子机器（可能在细胞出现之前就已经存在）是蛋白质合成的分子工厂。

核糖体也是抗生素最重要的靶点之一。过去的方法已经确定了许多抗生素通过稳定过程中的中间产物来延迟翻译，但目前还缺乏对原生细胞环境中翻译过程的详细结构描述。

北京时间9月29日，发表在《Nature》上的一项新研究中，来自欧洲分子生物学实验室（EMBL）领导的国际研究团队首次从原子细节上观察到抗生素如何影响细菌细胞内的蛋白质产生过程。该研究标志着科学家首次直接在细胞内观察主动翻译机制的原子级结构变化。重要的是，该研究还揭示了翻译机制如何在单细胞水平上对不同的抗生素扰动作出响应。

支原体（Mycoplasma）是最小的原核细胞微生物，没有细胞壁，呈丝状或分枝状。它们广泛存在于自然界。已知有5种致病性支原体，其中肺炎支原体（M.pneumoniae）可引起肺炎。虽然个头儿只有不到万分之一毫米，但这种极小的细菌具有功能齐全的蛋白质合成机制。因此，支原体在系统生物学和合成生物学研究中被广泛用作模型细胞。

如今，Cryo ET（低温电子断层扫描）技术的诞生已经在生命科学领域带来了一场分辨率革命。该技术允许研究人员使用电子显微镜对快速冷冻的生物样品进行连续成像，并将结果图像组合成细胞的三维视图。它就如同迷你版的磁共振成像（MRI）机器。此前，科学家们通过Cryo ET已经在细胞内观察到主动翻译的核糖体，不过生成的图像仅限于纳米尺度的分辨率。

在这项新研究中，该团队开发了冷冻ET的图像处理算法。 他们利用来自原始保存细胞的大规模冷冻ET数据，捕捉分子机器不同状态下的高分辨率快照，并将其合成影像。

当肺炎支原体细胞的冷冻ET图像呈现在眼前时，最突出的结构之一是微小的黑色斑点，这些就是核糖体。

这种新方法不仅使研究人员能发现和计数细菌内部的核糖体，而且还能以原子级的分辨率观察其结构。通过研究大量在活动周期不同阶段“冻结”的核糖体，研究人员破译了核糖体结构在蛋白质合成过程中是如何变化的。不仅如此，他们还将核糖体定位在细胞内的三维空间，以确定翻译过程是如何在空间上组织的。

在活细胞内，核糖体作为高度互联的系统运转，而不是单个分子机器。该研究揭示了核糖体的新特征和细胞中不同的翻译反应途径。

最重要的是，使用cryo-ET，研究人员可以观察到当抗生素进入细胞并与核糖体结合时会发生什么。他们确认了两种广谱抗生素氯霉素和壮观霉素与核糖体上的不同位点结合并破坏蛋白质合成过程的不同步骤。此前对分离核糖体的研究已经预测到了这一点，但还从未在实际细菌细胞内观察到这种情况。

研究人员观察到，被抗生素处理的细胞中的核糖体在功能、结构和空间上都发生了根本性的改变。核糖体与细胞内其他复合物之间的相互作用随着药物的作用而改变，这表明抗生素的作用可能远远超出与核糖体结合的特定复合物。

这些发现有助于科学家们了解抗生素的非靶向效应，同时为设计更有效的抗生素组合提供了基础。

总之，这个新方法建立了一个框架来分析未来细胞过程的结构动力学，有助于在原子细节上构建功能性细胞模型。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-022-05255-2