שיתוף פעולה מחקר בינלאומי שופך אור חדש על הבסיס המולקולרי של ביטוי גנים, התהליך הביולוגי הבסיסי שעומד בבסיס האופן שבו כל האורגניזמים משתמשים במידע הגנטי שלהם.
הצוות השתמש בטכניקת מיקרוסקופיה מתקדמת כדי ללכוד בפירוט חסר תקדים רגע קריטי כאשר מידע גנטי מתורגם לחלבונים היוצרים את המבנים והתהליכים הביוכימיים של הטבע.
"המחקר שלנו מגלה כיצד המולקולות הללו פועלות כמו מכונות מורכבות. אני תמיד נדהם שאפשר לשחזר תהליך מורכב וכל כך בסיסי מבחינה ביולוגית בצינור במעבדה", אמר ד"ר מייקל וובסטר, ראש קבוצה בג'ון אינס מרכז ואחד ממחברי המחקר המופיע ב-Science.
"זה מרגש במיוחד לקבל את ההזדמנות להשתמש בטכניקות הדמיה חזקות כדי לענות על שאלות שחוקרים התעניינו בהן במשך זמן רב", הוסיף.
הממצאים מציגים הזדמנויות לקהילת המחקר לחקור כיצד חיידקים מגיבים לסביבתם, ובשל הקבלות בכלורופלסטים, כיצד צמחים מתאימים את פעילות הפוטוסינתזה שלהם כדי לענות על צרכיהם.
חלבונים מיוצרים על ידי פענוח המידע הגנטי המאוחסן ב-DNA. במשך עשרות שנים ניסו חוקרים להבין כיצד המידע מועתק מרצף הנוקלאוטידים של הגנים לרצף חומצות האמינו של החלבונים.
לרצפי DNA אין יכולת לפעול בעצמם אלא מתבטאים בצורה של מבני חלבון ופעילויות ביוכימיות, ומכאן השם גן "ביטוי".
מולקולה מרכזית אחת המעורבת בביטוי גנים היא הריבוזום, שהוא מכונה מולקולרית שקוראת עותק מתומלל של מידע גנטי, הנקרא RNA שליח (mRNA), כדי ליצור חלבון חדש.
בעוד שהרבה ידוע על האופן שבו הריבוזום מפענח mRNA, תהליך המכונה 'תרגום', שאלה מרכזית בולטת הייתה כיצד הריבוזום מוצא לראשונה את ה-mRNA שהוא יפענח.
כדי למצוא תשובות לשאלה זו, הצוות צילם ריבוזומים שטוהרו מחיידקים והורכבו עם רכיבים אחרים למצבים המחקים את המפגש שלהם עם mRNA.
באמצעות מיקרוסקופ אלקטרוני קריוגני (cryo-EM), הם בנו מודלים אטומיים של מכלולי הריבוזום-mRNA. זה איפשר להם לדמיין את התהליך בפירוט רב.
זה היה ידוע שניתן להביא ריבוזומים חיידקיים ל-mRNA על ידי עד שלוש אינטראקציות מולקולריות: רצף RNA שנקרא מוטיב Shine-Dalgarno, חלבון הקושר RNA, הנקרא S1, והאנזים המייצר את ה-mRNA, הנקרא RNA פולימראז.
לא היה ברור אם אינטראקציות אלו יכולות לשתף פעולה כדי להעביר את ה-mRNA לריבוזום.
מחקר זה חשף כיצד תיאום יכול להתרחש בין אינטראקציות ריבוזום-mRNA אלה. הוא חושף מסלול על פני הריבוזום שה-mRNA יכול לקחת כדי להגיע למקום שבו מתרחש הפענוח.
הפרויקט השיתופי מקדם מאמץ בן עשרות שנים של השטח להבין כיצד ביטוי גנים מתרחש ברמה המולקולרית, ושופך אור חדש על האופן שבו מתרחש אירוע בודד אך קריטי במסלול.
הממצא המפתיע הוא שבאמת יש מנגנון שהתפתח כדי לעזור ל-mRNA להיות מועבר לריבוזום לצורך תרגום.
בעבר היה ברור שהריבוזום חייב איכשהו למצוא את המקום הנכון ב-mRNA הנכון כדי להתחיל בסינתזת חלבון. בעיני, זה הציע חיפוש פוטנציאלי ארוך מאוד לפני שהמולקולות יתקשרו בצורה הנחוצה.
הופתעתי עד כמה ברור שהמודלים המבניים שלנו מראים שהריבוזום החיידקי יכול ליצור נתיב ל-mRNA הנכנס. הסידור המולקולרי הזה יקל בהרבה על מציאת mRNA לתרגום".
ד"ר מייקל וובסטר, ראש קבוצה במרכז ג'ון אינס
המנגנון המולקולרי שנחשף רלוונטי גם לכלורופלסטים בצמחים, שהם צאצאים של חיידקים שהפכו לאברוני צמחים.
קבוצת וובסטר מתכוונת לבנות על הבנה חדשה זו של ביטוי גנים מסוג חיידקים כדי לבחון את תרומתה לייצור חלבונים פוטוסינתטיים בכלורופלסט. לתחום זה יש רלוונטיות לאופן שבו נוכל לפתח יבולים המותאמים טוב יותר לאתגרי האקלים.
המחקר המשותף כלל את המאמצים המתואמים של מומחים ב-cryo-EM במרכז ג'ון אינס וב-IGBMC (שטרסבורג), מומחים בניתוח קינטי של מולקולה אחת באוניברסיטת מישיגן, ומומחים לפרוטאומיקה מבנית ב-Technische Universitat (ברלין) .
'בסיס מולקולרי של מסירת mRNA לריבוזום החיידקי' מופיע ב-Science.
