Nature：首次在活的细菌细胞内部观察抗生素如何发挥作用

每个活细胞都依赖蛋白来运作，而蛋白的合成过程--翻译--对生存至关重要。细菌也不例外，参与翻译的分子机器是抗生素的最常见作用靶标之一。

如今，在一项新的研究中，来自德国海德堡欧洲分子生物学实验室、马克斯-普朗克生物物理化学研究所、柏林工业大学和爱丁堡大学等研究机构的研究人员首次从原子细节上可视化观察了抗生素如何影响细菌细胞内的蛋白生产过程。这项研究也标志着科学家们首次在细胞内直接观察到活跃的翻译复合物（translation machinery）在原子水平上的结构变化。重要的是，这种方法使他们能够确定这这些翻译复合物在细胞内用来相互“交谈”的机制。他们还进行了生物信息学分析，以观察核糖体蛋白的多样性在4000多种代表性细菌中是什么样的。

相关研究结果发表在2022年10月6日的Nature期刊上，论文标题为“Visualizing translation dynamics at atomic detail inside a bacterial cell”。

微小的细菌和分子机器

论文通讯作者、海德堡欧洲分子生物学实验室的Julia Mahamid及其团队使用了一种叫做低温电子断层扫描（cryo-electron tomography, cryo-ET）的技术来研究肺炎支原体细菌。这种引起人类非典型肺炎的微小细菌，尽管只有大约万分之一毫米大小，却有功能齐全的蛋白合成机器。

论文第一作者、Mahamid团队博士后Liang Xue说：“我们选择支原体进行研究，因为它们是最小的活细胞之一，并被广泛用作系统生物学和合成生物学研究中的模型细胞。”

cryo-ET允许科学家们使用电子显微镜对闪冻的生物样本进行连续成像，并将所得到的图像组合起来，形成细胞的三维视图---有点像一台微型磁共振成像机器。

Mahamid表示：“有了来自原始保存的细胞的大规模cryo-ET数据，就有可能捕捉到一种分子机器在发挥作用时不同状态下的高分辨率图片，并将它们组合成一部影片。”

当人们看支原体细胞的cryo-ET图片时，最突出的结构之一是微小的黑色斑点--这些是核糖体。Xue说：“核糖体是最古老的大分子机器之一，甚至可能在细胞出现之前就已经存在。”核糖体是参与蛋白翻译的主要分子机器，它们存在于从细菌到人类的所有细胞中。

Mahamid团队的方法使他们不仅能够发现和计算细菌内的核糖体，还能在原子分辨率下观察到它们的结构。通过研究大量处于活动周期不同阶段的“冻存”核糖体，他们可以破解核糖体结构在蛋白合成过程中如何变化。不仅如此，他们还可以在细胞内的三维空间中定位核糖体，这使他们能够确定翻译过程在空间上是如何组装的。

Xue说：“在活细胞内，核糖体作为高度相互关联的系统发挥作用，而不是作为单个分子机器发挥作用。我们揭示了核糖体的新特征和细胞中多样化的翻译反应路径。”

发挥作用时的抗生素

至关重要的是，利用cryo-ET，这些作者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。例如，他们可以证实两种广谱抗生素氯霉素（chloramphenicol）和大观霉素（spectinomycin）与核糖体上的不同位点结合，破坏了蛋白合成过程的不同步骤。对分离的核糖体的研究已预测到了这一点，但以前从未在实际的细菌细胞内观察到这种作用。

肺炎支原体细胞的核糖体结构。图片来自Nature, 2022, doi:10.1038/s41586-022-05255-2。

Xue说：“当我们第一次能够看到药物分子与细胞内的核糖体结合时，这非常令人兴奋。但是，当我们发现经过抗生素处理的细胞中的核糖体群体在功能上、结构上和空间上受到显著重塑，这更令人激动。”

这些作者观察到，核糖体和细胞中其他复合物之间的相互作用在对药物的反应中发生了变化，这表明一种抗生素的影响可以远远超出它所结合的特定复合物。Mahamid说，“一方面，这可以帮助理解抗生素的脱靶效应，也可能有助于设计抗生素的组合使用以提高其疗效”。

Mahamid团队继续利用cryo-ET的力量来研究基本的生物过程。

Mahamid说：“我们能够为这种极其简单的模型系统所做的事情，原则上适用于更复杂的模型。例如，在我们的团队中，我们研究病毒和它们的人类细胞宿主之间的相互作用，人类多能性干细胞的分布和它们的核糖体的功能，甚至是我们的合作者和我们利用从癌症患者体内直接提取的细胞培育出的大型多细胞三维类器官。”

参考资料：

1. Liang Xue et al. Visualizing translation dynamics at atomic detail inside a bacterial cell. Nature, 2022, doi:10.1038/s41586-022-05255-2.

2. Seeing antibiotics in action inside a pathogenic bacterium
https://phys.org/news/2022-09-antibiotics-action-pathogenic-bacterium.html