Η διαδικασία σχηματισμού των ριβοσωμάτων
Τα ριβοσώματα λειτουργούν ως εργοστάσια πρωτεϊνών στα κύτταρα, διαβάζοντας τον γενετικό κώδικα και συνθέτοντας τις πρωτεΐνες που είναι απαραίτητες για την επιβίωση κάθε οργανισμού. Ωστόσο, μέχρι πρόσφατα, οι λεπτομέρειες σχετικά με το πώς σχηματίζονται τα ίδια τα ριβοσώματα παρέμεναν ασαφείς.
Μια νέα ανακάλυψη με τη βοήθεια της τεχνητής νοημοσύνης
Τώρα, επιστήμονες έχουν καταφέρει να αποτυπώσουν ένα κρίσιμο κομμάτι αυτής της διαδικασίας σε κίνηση. Τα ευρήματα, που δημοσιεύθηκαν στο περιοδικό Nature, συνδυάζουν την τεχνητή νοημοσύνη, την κρυο-ηλεκτρονική μικροσκοπία και τη γενετική, αποκαλύπτοντας με πρωτοφανή λεπτομέρεια πώς τα κύτταρα συντονίζουν, ρυθμίζουν και προστατεύουν τη δημιουργία του μικρού υπομονάδας ριβοσώματος, μιας μηχανής κεντρικής σημασίας για τη σύνθεση κάθε πρωτεΐνης.
Η σημασία της έρευνας για τη μοριακή βιολογία
Η ομάδα του Sebastian Klinge, επικεφαλής του Εργαστηρίου Πρωτεϊνών και Νουκλεϊνικών Οξέων, εργάζεται πάνω σε αυτό το θέμα για περισσότερα από δέκα χρόνια, προσπαθώντας να απαντήσει σε ένα από τα πιο θεμελιώδη ερωτήματα της μοριακής βιολογίας: πώς τα κύτταρα κατασκευάζουν τα ριβοσώματα. Τα ριβοσώματα είναι τόσο κεντρικά στη ζωή που κάθε κύτταρο αφιερώνει μεγάλο μέρος της ενέργειάς του για να τα παράγει, ωστόσο η διαδικασία συναρμολόγησης των χιλιάδων μοριακών τους μερών ήταν πολύ περίπλοκη και φευγαλέα για να αποτυπωθεί σε δράση.
Η έρευνα της ομάδας Klinge έχει συμβάλλει στην κατανόηση του πώς οργανώνεται αυτή η διαδικασία εντός του νουκλεόλου, του εργοστασίου ριβοσωμάτων του κυττάρου, δείχνοντας ότι η χαρακτηριστική στρωματοποιημένη αρχιτεκτονική του νουκλεόλου προκύπτει από τον τρόπο που επεξεργάζεται και διπλώνει το RNA κατά τη διάρκεια του σχηματισμού των ριβοσωμάτων. Ο Klinge εξηγεί: “Προσπαθούσαμε να καταλάβουμε πώς λειτουργεί ο νουκλεόλος. Και μπορέσαμε να δείξουμε ότι δεν είναι μαγεία ή μαγικά κόλπα – υπάρχουν διακριτές αλληλεπιδράσεις πρωτεΐνης-πρωτεΐνης και πρωτεΐνης-RNA που διέπουν τη μορφή και τη λειτουργία των οργανιδίων.
Αλλά, παρά την πρόοδο αυτή, ένα κομμάτι παρέμενε κενό – ένας τρόπος να προχωρήσουμε πέρα από τις στατικές φωτογραφίες του σχηματισμού των ριβοσωμάτων και να αποτυπώσουμε τη συνεχή αλληλουχία των μοριακών γεγονότων που μετατρέπουν ένα ανώριμο ριβοσωματικό σωματίδιο σε μια ολοκληρωμένη υπομονάδα έτοιμη για δράση. Αυτή η έλλειψη ήταν πιο προφανής στη διαδικασία σχηματισμού της μικρής υπομονάδας ριβοσώματος (SSU). Η ομάδα του Klinge γνώριζε ότι ο πρόδρομος της SSU πρέπει να υποβληθεί σε μια περίπλοκη σειρά αναδιαρθρώσεων και ελέγχων ποιότητας πριν ωριμάσει στην υπομονάδα ριβοσώματος που είναι υπεύθυνη για την αποκωδικοποίηση των γονιδίων και τελικά για την παραγωγή πρωτεϊνών.
Ωστόσο, οι μηχανισμοί που διέπουν αυτές τις μεταβάσεις παρέμεναν ασαφείς. Οι φωτογραφίες είχαν αποκαλύψει ότι κάποιοι παράγοντες πρέπει να διασφαλίζουν ότι η διαδικασία σχηματισμού της SSU προχωρά προς τα εμπρός και ποτέ προς τα πίσω. Προγενέστερες εργασίες είχαν υποδείξει ότι δύο ένζυμα, η Mtr4 και η Dhr1, συντονίζουν τη διαδικασία. Αλλά πώς όλα αυτά συνδέονται παρέμενε μυστήριο.
Για να γεφυρώσουν αυτό το κενό, η ομάδα του Klinge συνδύασε την τεχνητή νοημοσύνη, τη δομική βιολογία και τη γενετική, χρησιμοποιώντας υπολογισμούς αντί για πειράματα. Χρησιμοποιώντας το AlphaFold, ένα ισχυρό πρόγραμμα τεχνητής νοημοσύνης που προβλέπει τις 3D μορφές των πρωτεϊνών και τις αλληλεπιδράσεις τους, μοντελοποίησαν περισσότερες από 3.500 πιθανές αλληλεπιδράσεις μεταξύ των μορίων που συνθέτουν το ριβόσωμα. Αυτές οι προβλέψεις χρησίμευσαν ως χάρτης, βοηθώντας τους ερευνητές να εντοπίσουν ποιες αλληλεπιδράσεις να δοκιμάσουν στο εργαστήριο και να σχεδιάσουν πειράματα που θα αποτύπωναν τη διαδικασία σε δράση.
Καθοδηγούμενοι από αυτές τις πληροφορίες της τεχνητής νοημοσύνης, η ομάδα στη συνέχεια μηχανικά τροποποίησε κύτταρα ζύμης ώστε να μπορούν να επισημανθούν και να παρακολουθηθούν οι κύριες πρωτεΐνες συναρμολόγησης. Χρησιμοποιώντας κρυο-ηλεκτρονική μικροσκοπία, συνέλεξαν περισσότερες από 200.000 φωτογραφίες και ανακατασκεύασαν τη διαδικασία σχηματισμού των ριβοσωμάτων.
