利用創新方法，EMBL 的科學家發現了分子機器之間的關鍵相互作用，為藥物開發開闢了新途徑。研究人員首次拍攝了一部即時分子電影，展示了轉錄和翻譯這兩個重要的細胞過程是如何在細菌中相互作用的。

海德堡EMBL 實驗室的Duss 團隊利用單分子多色螢光顯微鏡拍攝了一部影片，影片顯示了細菌RNA 聚合酶（標有粉紅色球體）和核醣體（標有綠色球體）在同一個mRNA 分子（球體之間的白線）上的相互作用。 圖片來源：Isabel Romero Calvo/ EMBL

在所有生物體中，DNA包含定義細胞結構和功能的代碼。 一種名為RNA聚合酶的酵素能破解這種代碼，並將其轉化為RNA，一種與DNA 非常相似的分子。 這種將生命代碼從DNA 轉為RNA 的過程稱為轉錄。 接下來，一種名為”核醣體”的分子機器利用RNA 中編碼的訊息來建構蛋白質–這種分子能發揮細胞的大部分基本功能。 這個過程被稱為翻譯。

這段影片總結了我們目前是如何了解轉錄和翻譯是如何在物理和功能上相互耦合的。 利用多色單分子螢光顯微鏡，我們同時追蹤了轉錄和翻譯的伸長以及RNA 聚合酶和核醣體之間的耦合。 我們看到單一核醣體與RNA 聚合酶碰撞後如何減速，以及它們如何透過長程物理耦合來活化RNA 聚合酶。 圖片來源：EMBL

“在細菌細胞中，轉錄和翻譯是在同一個細胞區進行的，”海德堡EMBL 小組組長、新研究的資深作者Olivier Duss 解釋說。 “在人類細胞中，轉錄是在細胞核中進行的，細胞核是儲存DNA的地方，與細胞的其他部分由一層膜隔開。 然後，轉錄的RNA 被轉運到細胞核外，翻譯成蛋白質，這完全是在細胞質（細胞核周圍的細胞區）中進行的。

科學家先前曾將轉錄和翻譯描述為單一過程，但對二者如何相互作用卻不甚了解。 部分原因是這些研究依賴冷凍電子顯微鏡等技術，而冷凍電子顯微鏡需要冷凍樣本，因此只能提供過程的快照。

捕捉分子相互作用的先進工具

杜斯研究小組利用單分子技術、結構生物學和生物化學來了解參與重要細胞功能的大型分子機器是如何相互合作的。

為了研究翻譯和轉錄是如何協同工作的，由研究科學家努斯拉特-庫雷希（Nusrat Qureshi）共同領導的研究小組人工再造了這些過程所需的細胞環境。 這樣，他們就可以利用一種稱為單分子多色螢光顯微鏡的技術，密切追蹤核醣體和RNA聚合酶每次一對相互作用的動態。

簡單地說，這種技術的工作原理是用小型化學物質標記RNA 聚合酶和核醣體，這些化學物質就像接近感測器一樣。 當這兩種分子相互作用時，它們就會發出螢光顯微鏡可以捕捉到的訊號。 當它們停止相互作用時，訊號就會消失。

藉此，科學家捕捉了RNA 聚合酶和核醣體之間幾分鐘的動態交互作用。 他們有史以來第一次可以透過顯微鏡同時觀察轉錄和翻譯的過程。

「我們終於可以觀察整個過程了，我感到非常興奮，」杜斯說。 「我們可以將這些快照付諸行動，這讓我們更了解這兩台機器是如何合作的。 把這一切放在一起，我們就能開始看到新出現的行為，而這些行為是無法以其他方式預測的。

科學家發現的其中一個新興行為是，RNA聚合酶和核醣體即使相隔很遠，也能透過一段相當長的環狀RNA進行交流。

在這種情況下，這兩台分子機器就像一對被長繩拴住的登山者。 繩子鬆到足以防止相互碰撞，但又緊到足以讓每個登山者在需要時幫助對方。

研究小組也觀察到，當翻譯同時進行時，轉錄的效率更高。 換句話說，當一個活躍的RNA 聚合酶在同一個RNA 分子上跟著一個正在進行的核醣體時，其生產率就會更高。

” 能夠觀察到這些過程是如何協同工作的，是一件非常美妙的事情。任何在團隊中工作的人都知道協作的重要性，”杜斯說。 “如果每個人都想單打獨鬥，效率就會大大降低。 細胞的分子機器似乎也知道這一點。”

對抗生素開發的影響

雖然這項研究的重點是人工設置中的孤立分子，但杜斯研究小組現在正準備將他們對這個過程的理解擴展到活細胞中。 作為最近獲得的歐洲共同體研究理事會綜合資助金的一部分，他們還計劃在研究中加入更多的細胞過程，以了解”攀爬”協調是否不僅僅涉及兩個夥伴。

在抗生素抗藥性成為重要健康問題的今天，揭示細菌的基本細胞機制是如何運作的，為開發對抗細菌病原體的新方法鋪平了道路。 研究人員有可能超越標準抗生素，透過合作針對兩個細胞機器而不是僅僅針對一個細胞機器來防止抗藥性問題。

“這項工作是一個很好的例子，從更廣的角度說明了基礎研究的重要性，」杜斯說。 “基礎研究有助於我們了解生物學是如何運作的，然後轉化為新的發現，如新型藥物、先進的治療方法和更好的機會”。

這項新研究發表在《自然》雜誌。

編譯自/ ScitechDaily

DOI：10.1038/s41586-024-08308-w