Una visione pionieristica per il Ribosome

Ada Yonath ha rimodellato la biologia molecolare risolvendo la struttura atomica del ribosome, la macchina cellulare che traduce il codice genetico in proteine. Prima del suo lavoro, il ribosome era una scatola nera - gli scienziati sapevano che sintetizzava le proteine ma non aveva modo di vedere come le basi di ribes che i suoi risultati cristallici rivelavano la precisa disposizione spaziale di RNA ribosomico e proteine, esponendo il cuore catalitico della traduzione.

Il ribosma stesso è un complesso molecolare massiccio, circa 2,5 megadalton nei batteri, composto da due sottounità asimmetriche realizzate principalmente di RNA ribosomico (rRNA) e dozzine di proteine. Deve legare RNA messaggero (mRNA), trasferire RNA (tRNA), e vari fattori di allungamento mentre si muove in senso passo lungo la trascrizione.

La vita precoce e la semi di curiosità scientifica

Ada Yonath nacque nel 1939 nel quartiere di Geula, poi parte della Palestina Mandata britannica. Suo padre, un rabbino che gestiva un piccolo negozio, morì quando era giovane, lasciando sua madre a sostenere la famiglia attraverso il lavoro menial. Nonostante i forti vincoli finanziari, la madre di Yonath incoraggiò la curiosità intellettuale e raschiò insieme fondi per comprare libri, comprese le copie di National Geographic scintilla[FLTnath]

Dopo aver completato la scuola secondaria, Yonath si iscrisse all’Università Ebraica di Gerusalemme in un programma pre-medico. Tuttavia, si rese conto rapidamente che il suo fascino non si trovava nel trattamento della malattia, ma nella comprensione dei principi fondamentali della vita.

Dopo il dottorato nel 1968, Yonath viaggiò negli Stati Uniti per la formazione post-dottorale, lavorando al Massachusetts Institute of Technology e poi all'Università di Chicago sotto il premio Nobel William N. Lipscomb, pioniere della cristallografia a raggi X. Il laboratorio di Lipscomb insegnò le sue tecniche avanzate per risolvere complesse strutture molecolari, tra cui l'uso di derivati pesanti e problemi di fiducia computazionale che diedero ai suoi metodi di analisi senior.

Il Ribosome: una bestia molecolare

Quando Yonath decise di concentrarsi sul ribosome nei primi anni '70, scelse un obiettivo che la maggior parte dei biologi strutturali consideravano sciocco. A quel punto, le molecole più grandi mai risolte dalla cristalliografia a raggi X erano piccole proteine come la mioglobina e il lysozyme impossibile, ognuna solo un paio di chilodi. Il ribosma era diverse centinaia di volte più grande, e possedeva una flessibilità intrinseca che sembrava incompatibile con l'ordine.

In primo luogo, i ribosomi sono dinamici: subiscono cambiamenti conformativi sostanziali mentre si muovono lungo il mRNA e interagiscono con le molecole del tRNA. Questa flessibilità impedisce la formazione di un reticolo di cristallo regolare. In secondo luogo, anche se i cristalli potrebbero essere coltivati, la dimensione massiccia del ribosma ha significato che i dati di diffrazione sarebbero deboli e difficili da fase.

La risposta di Yonath era tipicamente inventiva. Ha ragionato che se poteva ottenere ribosomi da organismi estremisti — batteri che prosperano in ambienti di alta temperatura, acidità, o salinità — i loro complessi ribosomali potrebbero essere intrinsecamente più stabili.

Strategie di cristallizzazione innovative

La svolta principale è arrivata quando Yonath ha introdotto la criocristallografia sul campo. Grazie al rapido raffreddamento dei cristalli alle temperature criogeniche (circa 100 Kelvin), ha intrappolato i ribosomi in una sola conformazione stabile e ha ridotto drasticamente i danni alle radiazioni durante l'esposizione ai raggi X. Questa tecnica, ora standard in biologia strutturale, era rivoluzionaria al momento.

Nel corso degli anni ottanta, Yonath e il suo team hanno gradualmente migliorato la qualità del cristallo, esplorando centinaia di condizioni, variando il pH, la resistenza ionica, il tipo precipitante e la temperatura con un'irradiazione sofferente. Alla fine degli anni '80, hanno ottenuto i primi cristalli utilizzabili della grande subunità ribosomica Bacillus stearothermophilus risoluzione di cristallo.

Radiazione Synchrotron: Lo strumento indispensabile

I raggi X intensi e sincroni prodotti in strutture come la European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) in Grenoble, Francia, e la Advanced Photon Source (APS) in Argonne National Laboratory ha permesso di raccogliere dati diffrazione significativi da piccoli, deboli cristalli diffrattanti.

Le strutture di rottura del 2000

Nel mese di agosto 2000, il gruppo di Yonath ha pubblicato la struttura di risoluzione atomica del grande subunità ribosomal da Deinococcus radiodurans nella rivista Cell]. La struttura ha rivelato un'architettura intricata dominata da RNA ribosomico, che ha piegato in un denso, nucleo di proteine ornasi

Lo stesso anno, Venkatraman Ramakrishnan e il suo gruppo risolrono la struttura del piccolo sottounità ribosoma da Thermus thermophilus[, e Thomas A. Steitz pubblicò la sua struttura del grande subunità molecolare Haloarcula marismortui.

Visualizzazione della traduzione in risoluzione atomica

Immergendo antibiotici nei cristalli, si poteva identificare esattamente dove ogni farmaco si legava e come distorta la geometria del ribosma. Ad esempio, l’eritromicina macrolide è stata mostrata per legare all’ingresso del tunnel di uscita del peptide, bloccando stericamente la catena del polipeptide nascente dall’emergere.

Il lavoro ha anche fatto luce sul processo di decodifica. La piccola struttura subunità ha rivelato come il RNA messaggero e il RNA di trasferimento interagiscono al centro di decodifica, dove Watson-Crick base di accoppiamento tra il codon mRNA e il tRNA anticodon è monitorato.

Trasformazione della ricerca antibiotica

Molte delle classi più importanti di antibiotici — macrolidi, tetracicline, aminoglicosidi, oxazolidinoni e pleuromutilins — mirano al ribosma batterico. Prima che le strutture atomiche fossero disponibili, la scoperta della droga si basava su screening empirico e su saggi leganti indiretti.

Meccanismi dettagliati dell'azione

Le strutture ad alta risoluzione di Yonath hanno fornito le prime viste dettagliate delle interazioni farmaco-ribosose.

  • Macrolides[ (ad esempio, eritetromicina, azitromicina) vincolano nel tunnel di uscita peptide, bloccando fisicamente il percorso della catena di polipeptide in crescita. Le strutture hanno mostrato esattamente quali basi rRNA contattano il farmaco, spiegando perché alcune modifiche chimiche aumentano o riducono il legame.
  • Tetracyclines[[] (ad esempio, doxycycline) vincolano al piccolo sottounità del sito A, interferendo con l'alloggio del tRNA. Le strutture hanno rivelato una rete di legami di idrogeno e impilando le interazioni che stabilizzano il farmaco in una tasca formata da rRNA.
  • Aminoglicosidi[] (ad esempio, streptomicina, gentamicina) si legano al centro di decodifica del piccolo subunità, distorcendo la geometria che normalmente garantisce un'accurata coppia codon-anticodon. Questa distorsione fa sì che il ribosome disleggi il mRNA, producendo proteine non funzionali che uccidono la cellula.
  • Oxazolidinones[] (ad esempio, linezolid) si legano al sito P della grande subunità, interferendo con il posizionamento della fine 3′ del tRNA. Le strutture hanno mostrato che linezolid occupa una tasca vicino al PTC che si sovrappone al sito vincolante di cloramfenolo.
  • Pleuromutilins[[] (ad esempio, lefamulina) si legano a un sito unico nel PTC, inibendo la formazione dei legami peptide direttamente.

Criticamente, le strutture spiegavano anche la selettività delle specie. I ribosomi batterici differiscono dai ribosomi eucariotici nelle sequenze specifiche del RNA e nelle composizioni proteiche. Le strutture hanno rivelato che molti antibiotici sfruttano queste differenze, legandosi strettamente a rRNA batterico ma poco a rRNA umano. Questa comprensione ha guidato il disegno di derivati che mantengono la selettività eludendo i meccanismi di resistenza.

Rivolgersi alla crisi della resistenza globale

La resistenza antibiotica è una delle sfide più pressanti della salute pubblica del 21 ° secolo. I patogeni come la metillina resistente Staphylococcus aureus[[[FLT: 1:] (MRSA), i farmaci vancomicina-resistente

  1. La funzione di RNA ribosomico o proteine[[] che riduce l'affinità di legame della droga. Ad esempio, le mutazioni nel rRNA 23S nelle posizioni A2058 o A2059 (in Escherichia coli) conferiscono resistenza alle macrolidi alterando la tasca di legame.
  2. Modifica enzimatica del farmaco[], come l'acetilazione, la fosforilazione, o l'adenylazione, che inattiva il composto prima che raggiunga il ribosma.
  3. Pompe di Efflux[[]] che esportano attivamente farmaci dalla cellula, riducendo le concentrazioni intracellulari a livelli sublethal.

Le strutture di Yonath hanno permesso di superare ogni meccanismo razionale del farmaco, ma, se si superano le superfici esatte, i ricercatori possono sintetizzare i derivati che mantengono l’affinità anche quando il sito di destinazione è mutato.

Le strutture supportano anche la progettazione di agenti a spettro stretto che mirano a specifici agenti patogeni, risparmiando il microbiota benefico. Sfruttando sottili differenze tra i ribosomi di diverse specie batteriche, i ricercatori possono sviluppare farmaci efficaci contro gli agenti patogeni come Chlamydia trachomatis]] o Helicobacter pylori interrompe

Il Premio Nobel e il suo riconoscimento

Nel 2009, l'Accademia delle Scienze della Svezia ha assegnato il Premio Nobel per la Chimica insieme ad Ada Yonath, Venkatraman Ramakrishnan e Thomas A. Steitz “per gli studi sulla struttura e la funzione del ribosma.” Yonath è diventata la prima donna israeliana a vincere un Premio Nobel e la quarta donna nella storia per vincere il Nobel in Chimica, seguendo Marie Curie (1911), Irène Joliot-Curikin

Nella sua lezione Nobel, Yonath ha tracciato il lungo arco della sua ricerca, dal primo scetticismo che ha affrontato le innovazioni tecniche che hanno reso possibile le strutture. Ha sottolineato l'importanza di scegliere un problema difficile, la necessità di persistenza attraverso un fallimento ripetuto, e il valore di assemblare un piccolo team dedicato che ha condiviso la sua visione. La lezione è di per sé un documento di metodo scientifico, mostrando come la convinzione di un singolo ricercatore possa muovere un intero campo.

La citazione del comitato Nobel ha notato che i tre vincitori avevano “visto come le funzioni ribosome a livello atomico”, ponendo la base per “antibiotici che possono salvare vite e ridurre la sofferenza.” Dal 2009, Yonath ha ricevuto numerosi onori aggiuntivi, tra cui il L’Oréal-UNESCO For Women in Science Award, il Wolf Prize in Chemistry, e il Paul Ehrlich e Ludwig Darmstaedter Prize.

Continuare la ricerca e l'ultima eredità

Ada Yonath continua a dirigere il Kimmelman Center for Biomolecular Structure and Assembly presso l'Istituto di Scienza Weizmann. La sua ricerca contemporanea si estende oltre le strutture statiche che le hanno conferito il Premio Nobel. I progetti attuali nel suo laboratorio includono l'indagine su come i ribosomi interagiscono con gli antibiotici in ambienti cellulari nativi, esaminando il ruolo dell'eterogeneità ribosomica nella regolazione del gene e sviluppando le tecniche di cristallizzazione per le cellule ribosomi associati alle membrane.

Forse l’eredità più duratura di Yonath è metodologica, ha dimostrato che i problemi considerati “impossibili” dal consenso scientifico possono cedere all’innovazione sistematica e alla determinazione dogged. Il ribosome era stato dichiarato incrystallizable; l’ha cristallizzato. Le strutture erano troppo grandi per la fase molecolare; ha sviluppato nuove strategie di phasing. I cristalli erano troppo fragili; ha inventato criotechnique per preservarli.

La successiva rivoluzione nella microscopia crio-elettrica (cryo-EM) ha reso la routine di determinazione della struttura ribososa, producendo modelli quasi atomici da campioni che richiedono solo microgrammi di materiale. Tuttavia le prime strutture a raggi X di Yonath rimangono lo standard d'oro per la convalida; hanno fornito i frame di riferimento che le ricostruzioni crio-EM devono corrispondere. Le due tecniche sono diventate complementari, con la soluzione cristallinativa che fornisce le istantanee di massima risoluzione.

Ispiranti scienziati e il pubblico

Yonath è anche diventata un sostenitore di spicco per l'educazione scientifica e l'equità di genere in STEM. Spesso fornisce lezioni pubbliche che condividono la sua storia personale - una ragazza di una famiglia in lotta che è cresciuta per vincere il Premio Nobel - come testimonianza del potere della curiosità e della perseveranza.

Ha espresso la sua opinione sulla responsabilità etica degli scienziati e dei politici per affrontare la resistenza agli antibiotici, sostenendo l'uso razionale degli antibiotici, una più forte regolamentazione degli antibiotici agricoli e un maggiore investimento nella ricerca di base che darà la prossima generazione di antimicrobici.

Ada Yonath lo guardò, vide una macchina ordinata, e aveva la tenacia di rivelarlo. Quella rivelazione ha salvato innumerevoli vite attraverso migliori antibiotici e continuerà ad ispirare nuove strategie terapeutiche per decenni a venire. Il suo lavoro è un potente promemoria che i problemi più impegnativi della scienza - quelli che sono "più difficili da cristallizzare" in ogni senso - sono quelli che vale la pena risolvere.

Ulteriori riferimenti di lettura e chiave

La conferenza Nobel di Yonath, che fornisce una panoramica accessibile della sua ricerca ribosica, è disponibile sul sito Premio Nobel ufficiale]. Il suo punto di riferimento 2000 Cell]