Des recherches révolutionnaires sur la nouvelle ligne de lumière de cristallographie macromoléculaire à grande longueur d'onde (I23) de Diamond Light Source ont démontré pour la première fois la localisation des ions potassium dans les ribosomes bactériens. Les ribosomes sont les usines à protéines des cellules et bien qu'ils soient vitaux, on savait peu de choses sur les sites des ions métalliques qui sont cruciaux pour leur structure et leur fonction. L'ouvrage récemment publié dans Communication Nature présente les applications fantastiques de la ligne de lumière I23 et met en lumière le rôle important des ions potassium.

Les ribosomes sont des usines de protéines géantes qui résident dans les cellules de toutes les formes de vie, et sont responsables de la conversion précise de l'information génétique en protéines. Ce sont les assemblages ARN-protéine les plus complexes de la cellule et ont besoin d'ions métalliques pour maintenir leur structure et leur fonction. Bien qu'étant un constituant si important d'une cellule, le type et l'emplacement exacts des ions métalliques au sein de ces grands complexes restaient à définir. En réalité, les efforts antérieurs pour caractériser le ribosome ont exagéré l'importance des ions magnésium, donc d'autres ions métalliques ont été largement ignorés.

Une équipe internationale de chercheurs a cherché à définir pleinement le rôle du potassium dans les ribosomes. En utilisant la ligne de lumière unique de cristallographie macromoléculaire à grande longueur d'onde (I23) à Diamond, l'équipe a pu localiser des centaines d'ions potassium dans les ribosomes bactériens. La technique de pointe a démontré pour la première fois sur une base structurelle 3-D que les ions potassium n'étaient pas seulement impliqués dans la formation globale de la structure de l'ARN ribosomique (ARNr) et des protéines ribosomiques, mais qu'ils jouaient aussi un rôle important dans sa fonction.

Ces résultats comblent un énorme manque de connaissances et pourraient également conduire à des applications thérapeutiques potentielles. En comprenant parfaitement les subtilités des ribosomes bactériens, on espère qu'ils pourraient être ciblés pour développer de nouvelles classes d'antibiotiques.

Magnésium par défaut

Les ribosomes sont essentiels à la synthèse des protéines et sont composés de deux sous-unités complexes. Bien que leur structure ait déjà été soigneusement caractérisée par cristallographie aux rayons X et cryomicroscopie électronique (cryo-EM), les ions métalliques exacts qui soutiennent leur structure et leur fonction ont échappé aux scientifiques.

Lorsque les ribosomes sont soumis à des expériences de diffraction, les ions métalliques contribuent aux régions de densité électronique. Par défaut, les chercheurs ont attribué cette densité aux ions magnésium pour générer des modèles structurels en 3D. Cependant, on sait que le potassium joue également un rôle important au sein des ribosomes car son retrait conduit au dépliement.

Cet effort de collaboration européen implique Gulnara Yusupova et Marat Yusupov de l'Institut de génétique et de biologie moléculaire et cellulaire (IGBMC, Strasbourg, La France), et Alexey Rozov d'une entreprise dérivée de l'IGBMC appelée "RiboStruct. "Nous travaillons depuis 30 ans vers notre objectif principal, comprendre comment la structure atomique du ribosome détermine finalement sa fonction extraordinaire :la synthèse des protéines. Le potassium est le cation le plus abondant dans les cellules, et en tant que tel a été jugé important pour tous les processus cellulaires, mais son influence sur la traduction n'a jamais été étudiée en détail », a déclaré l'équipe de Gulnara Yusupova et Marat Yusupov. Ils se sont donc lancés dans une longue étude avec l'aide de l'équipe du Dr Armin Wagner à I23 pour caractériser pleinement les ions potassium dans les ribosomes bactériens.

Installation unique

Prenant plus de deux ans pour se développer, I23 est une installation unique à Diamond qui couvre une gamme d'énergie qui n'est disponible dans aucun autre synchrotron dans le monde. Dr Wagner, Le scientifique principal de la ligne de lumière à l'I23 et l'un des auteurs de l'étude ont expliqué les capacités de la ligne de lumière :« La plage de longueurs d'onde unique nous permet de cibler vraiment la liaison du potassium. Nous pouvons donc faire des expériences autour du bord d'absorption qui nous permettent de calculer 3 -D maps qui mettent en évidence les atomes contribuant à la diffusion."

L'étude s'est concentrée sur les ribosomes bactériens de Thermus thermophilus. Les chercheurs ont concentré leurs efforts sur les structures cristallines des ribosomes en complexe avec l'ARN messager et l'ARN de transfert. En mesurant les signaux de diffusion anormale au niveau du bord K, ils ont pu détecter les ions potassium.

L'équipe du Dr Wagner à I23 a aidé à planifier et à réaliser l'étude, qui était le premier du genre au monde. L'étude de l'un des systèmes biologiques les plus complexes était éprouvante et les équipes de l'IGBMC et de RiboStruct ont passé plus d'un an à analyser les données pour localiser les ions potassium avec une précision sans précédent.

Rôle vital du potassium

L'équipe a vu des centaines d'ions potassium, et beaucoup occupaient des postes importants au sein du ribosome. Le plus important stabilise le centre de décodage lorsqu'il est lié à l'ARN messager, qui transmet l'information génétique au ribosome. Ces connaissances montrent vraiment le rôle vital du potassium dans la synthèse des protéines.

Typiquement, cryo-EM est largement utilisé pour explorer la structure ribosomique, mais cette étude démontre que la cristallographie peut offrir des perspectives uniques. La localisation précise du potassium et d'autres ions métalliques n'est pas encore possible avec les électrons.

Les équipes poursuivront leurs efforts de caractérisation des ribosomes par cryo-EM et cristallographie et ont l'intention d'étudier les organismes supérieurs à l'avenir. Au Diamant, Le Dr Wagner vise à réaliser le potentiel d'I23 en tant qu'outil de recherche précieux. "I23 est actuellement la seule installation où cette recherche aurait pu être menée. Elle montre que I23 peut déterminer la position d'atomes légers comme le potassium, calcium, chlore, phosphore, soufre, tous les atomes de haute importance biologique. Cette étude n'est qu'un début et nous attendons des résultats plus intéressants de la ligne de lumière, " a-t-il conclu.