Utilizzando un approccio innovativo, gli scienziati dell’EMBL hanno scoperto interazioni chiave tra macchine molecolari, aprendo potenzialmente nuove vie per lo sviluppo di farmaci.
Scegliere un film per una serata cinematografica è sempre una battaglia. Ora immagina se potessi sceglierne uno che fornisca uno sguardo su alcuni dei processi biologici più fondamentali che ci mantengono in vita.
Per la prima volta, i ricercatori hanno catturato un film molecolare in tempo reale per mostrare come due processi cellulari essenziali – trascrizione e traduzione – interagiscono tra loro nei batteri.
In tutti gli organismi viventi, il DNA contiene il codice che definisce le strutture e le funzioni cellulari. Un enzima chiamato RNA polimerasi decifra questo codice e lo converte in RNA, una molecola che assomiglia molto al DNA. Questo trasferimento del codice della vita dal DNA all’RNA è chiamato trascrizione.
Successivamente, una macchina molecolare chiamata ‘ribosoma’ utilizza il messaggio codificato nell’RNA per costruire proteine – le molecole che svolgono la maggior parte delle funzioni essenziali delle nostre cellule. Questo processo è chiamato traduzione.
Il video riassume come attualmente comprendiamo come la trascrizione e la traduzione siano fisicamente e funzionalmente accoppiate tra loro. Utilizzando la microscopia a fluorescenza a singola molecola multicolore, abbiamo tracciato contemporaneamente l’elongazione della trascrizione e della traduzione e l’accoppiamento tra l’RNA polimerasi e il ribosoma.
Vediamo come i singoli ribosomi rallentano quando collidono con l’RNA polimerasi e come attivano l’RNA polimerasi tramite un accoppiamento fisico a lungo raggio. Credito: EMBL
Nelle cellule batteriche, la trascrizione e la traduzione avvengono nello stesso compartimento cellulare, ha spiegato Olivier Duss, responsabile del gruppo presso l’EMBL Heidelberg e autore principale del nuovo studio.
Nelle cellule umane, la trascrizione è localizzata nel nucleo – il compartimento dove è conservato il DNA, separato dal resto della cellula da una membrana. L’RNA trascritto viene quindi trasportato al di fuori del nucleo per essere tradotto in proteine, il che avviene esclusivamente nel citoplasma – il compartimento cellulare che circonda il nucleo.
Le cellule batteriche sono molto più semplici nelle loro strutture cellulari e mancano di un nucleo, permettendo così alla trascrizione e alla traduzione di avvenire non solo nello stesso luogo ma anche contemporaneamente.
Gli scienziati hanno precedentemente caratterizzato la trascrizione e la traduzione come processi singoli, ma come i due interagiscono non è ben compreso. Questo è stato in parte perché tali studi si basavano su tecniche come la microscopia elettronica a criogenia, che richiedono campioni congelati, fornendo quindi solo istantanee del processo.
Strumenti avanzati per catturare le interazioni molecolari
Questo problema ha interessato il Gruppo Duss, che utilizza tecnologie a singola molecola, biologia strutturale e biochimica per comprendere come le grandi macchine molecolari coinvolte in funzioni cellulari cruciali cooperino tra loro.
Per indagare su come traduzione e trascrizione lavorino insieme, il team di ricerca, guidato congiuntamente dal ricercatore Nusrat Qureshi, ha ricreato artificialmente l’ambiente cellulare necessario affinché questi processi abbiano luogo.
Ciò ha permesso loro di seguire da vicino la dinamica dei ribosomi e delle RNA polimerasi interagenti, una coppia alla volta, utilizzando una tecnica chiamata microscopia a fluorescenza multicolore a singola molecola.
In parole semplici, la tecnica funziona marcando l’RNA polimerasi e il ribosoma con piccole sostanze chimiche che agiscono come sensori di prossimità. Quando le due molecole interagiscono, emettono un segnale che può essere catturato da un microscopio a fluorescenza. Quando smettono di interagire, il segnale scompare.
Utilizzando questo metodo, gli scienziati hanno catturato diversi minuti dell’interazione dinamica tra l’RNA polimerasi e il ribosoma. Per la prima volta, hanno potuto guardare attraverso un microscopio e osservare contemporaneamente la trascrizione e la traduzione in azione.
Sono molto entusiasta di poter finalmente osservare l’intero processo, ha detto Duss. Possiamo mettere in movimento queste istantanee, e questo ci permette di comprendere meglio come le due macchine cooperino.
Mettendo tutto insieme, iniziamo a vedere comportamenti emergenti che altrimenti non potrebbero essere previsti. Uno di questi comportamenti emergenti scoperti dagli scienziati è che l’RNA polimerasi e il ribosoma possono comunicare anche a distanza, con una lunga porzione di RNA a forma di anello che li collega.
In questo, le due macchine molecolari agiscono molto come una coppia di alpinisti legati da una lunga corda. La corda è abbastanza allentata da evitare collisioni tra loro ma abbastanza stretta da permettere a ciascun alpinista di aiutare l’altro quando necessario.
Il team ha anche osservato che la trascrizione è più efficiente quando la traduzione avviene contemporaneamente. In altre parole, quando un’RNA polimerasi attiva è seguita sulla stessa molecola di RNA da un ribosoma in progressione, la sua produttività è maggiore.
È bello poter osservare come questi processi lavorino insieme. Ogni persona che lavora in un team conosce l’importanza della collaborazione, ha detto Duss. Se ognuno cerca di lavorare da solo, la loro efficienza sarà molto più bassa. Sembra che anche le macchine molecolari della cellula lo sappiano.
Implicazioni per lo sviluppo di antibiotici
Il nuovo studio è stato pubblicato sulla rivista Nature. Sebbene questo studio si sia concentrato su molecole isolate in un ambiente artificiale, il Gruppo Duss si sta preparando a espandere la loro comprensione di questo processo alle cellule viventi.
Come parte del loro recentemente assegnato ERC Consolidator Grant, pianificano anche di includere ulteriori processi cellulari nello studio per vedere se il coordinamento “da alpinismo” coinvolge più di due partner.
Fare luce su come funzionano i meccanismi cellulari fondamentali nei batteri apre la strada allo sviluppo di nuovi modi per combattere i patogeni batterici in un momento in cui la resistenza agli antibiotici è un importante problema di salute.
I ricercatori possono potenzialmente andare oltre gli antibiotici standard, prevenendo problemi di resistenza mirando cooperativamente a due macchine cellulari anziché a una sola.
Questo lavoro è un ottimo esempio dell’importanza della ricerca di base nel contesto più ampio, ha detto Duss. La ricerca di base è ciò che ci aiuta a capire come funziona la biologia, il che si traduce poi in nuove scoperte come nuovi farmaci, trattamenti avanzati e migliori opportunità.
Riferimento: Tracking transcription translation coupling in real time di Nusrat Shahin Qureshi e Olivier Duss, 4 dicembre 2024, Nature. DOI: 10.1038/s41586-024-08308-w
