Las imágenes de alta resolución revelan el funcionamiento de un ribointerruptor de ARN bacteriano, un nuevo objetivo prometedor para los antibióticos.

Para prevenir una crisis de salud global, los científicos de todo el mundo están buscando formas de combatir las bacterias que pueden evadir el arsenal actual de antibióticos.

Un objetivo prometedor para los antibióticos nuevos y mejorados son los ribointerruptores, pequeños tramos de ARN que regulan un proceso necesario para la producción de proteínas por parte de la célula bacteriana. Los ribointerruptores se encuentran casi exclusivamente en bacterias y podrían ser atacados con antibióticos para que los animales o los humanos no se vean afectados. Con una comprensión completa de cómo funcionan los ribointerruptores, los investigadores pueden desarrollar medicamentos que interrumpan la maquinaria celular que crea las proteínas necesarias.

Ahora, investigadores del Departamento de Química de la Universidad de Michigan y el Instituto de Ciencias de la Vida han revelado, usando una combinación de bioquímica, biología estructural y modelado computacional, cómo un ribointerruptor en particular regula su propia síntesis.

El primer paso para generar una proteína a partir del código genético se llama transcripción. La enzima ARN polimerasa (o RNAP) viaja a lo largo del ADN, copiando la información genética que se encuentra en el ADN en una hebra de ARN. Durante este proceso, RNAP sufrirá varias «pausas» mientras espera más instrucciones de la celda. Los mecanismos para esta pausa y reinicio han sido esquivos para los científicos durante mucho tiempo, pero prometen convertirse en un objetivo perfecto para los antibióticos.

El equipo, dirigido por el profesor de química Nils Walter a través de una colaboración con los laboratorios de la profesora de LSI Melanie Ohi y el ex científico de la UM Aaron Frank, utilizó una técnica de biología estructural llamada microscopía crioelectrónica de partícula única (cryo-EM) para visualizar por primera vez cómo se produce esta regulación transcripcional. Sus resultados se publican en Naturaleza Biología Estructural y Molecular.

El laboratorio de Walter observó un ribointerruptor particular que se une a una molécula producida por la célula, llamada preQ.₁. Cuando el preQ₁ La molécula se une al riboswitch y altera la forma del ARN, lo que luego permite que el RNAP continúe una vez más a lo largo del ADN para que continúe la transcripción.

Los ribointerruptores se descubrieron por primera vez en 2002, pero sus funciones específicas relacionadas con la maquinaria de transcripción no se comprenden bien. Y no es difícil ver por qué es así, dice Adrien Chauvier, científico del laboratorio de Walter y experto en ribointerruptores.

«Esta es una situación de David contra Goliat», dijo. «RNAP es este gigante Goliat y el riboswitch es David. Debido a esta drástica diferencia de tamaño, visualizar dónde y cómo preQ₁ regula la pausa transcripcional es igual a encontrar una aguja en un pajar».

Investigaciones anteriores del laboratorio de Walter revelaron que la pausa transcripcional se activa y desactiva en función del preQ₁ unión de la molécula al riboswitch. En el futuro, el laboratorio de Walter se asoció con el experto en crio-EM Ohi para visualizar lo que estaba sucediendo.

«Este trabajo es un gran ejemplo de la fortaleza de hacer ciencia en la Universidad de Michigan. Tres laboratorios con diferentes conocimientos pudieron formar una colaboración multidisciplinaria que condujo a un descubrimiento importante y novedoso», dijo Ohi, también profesor de células y biología del desarrollo en la Facultad de Medicina de la UM. «Estos hallazgos no habrían sido posibles sin esta sinergia, junto con las inversiones que la universidad ha realizado para fortalecer la biología crio-EM y ARN en la UM en los últimos años».

La crio-EM de una sola partícula puede determinar las estructuras de grandes complejos de proteínas mediante la construcción de modelos 3D a partir de millones de imágenes 2D de partículas congeladas en diferentes orientaciones, revelando estructuras que contienen detalles moleculares que brindan información funcional.

La información estructural de la crio-EM de una sola partícula corroboró los hallazgos anteriores del laboratorio de Walter, pero también reveló un cambio específico en la forma del riboswitch nunca antes visto. Cuando el preQ₁ La molécula se une, el ribointerruptor gira para comunicarse con el RNAP para continuar la transcripción.

Estas observaciones se racionalizaron y validaron aún más a través de un esfuerzo de colaboración con Frank, entonces profesor de biofísica y química en la Universidad de Michigan y experto en modelado computacional de ARN. Con modelos 3D detallados en la mano, el equipo de colaboración de la UM ahora tiene una comprensión más precisa de cómo este riboswitch regula la pausa transcripcional.

«Ahora entendemos todo el proceso de regulación de riboswitch y podemos usar ese conocimiento para apuntar específicamente a estas partes críticas de la vida bacteriana, con la esperanza de evitar la próxima crisis de bacterias multirresistentes», dijo Walter.