眾所周知，細胞是構成生物體的基本結構和功能單位；而蛋白質就如同細胞的「靈魂」，每個活細胞都要依賴蛋白質來發揮功能。蛋白質的合成過程（翻譯）對細胞的生存至關重要。從細菌到人類的所有生物細胞中都存在核糖體，這些最古老的大分子機器（可能在細胞出現之前就已經存在）是蛋白質合成的分子工廠。
核糖體也是抗生素最重要的靶點之一。過去的方法已經確定了許多抗生素通過穩定過程中的中間產物來延遲翻譯，但目前還缺乏對原生細胞環境中翻譯過程的詳細結構描述。
北京時間9月29日，發表在《Nature》上的一項新研究中，來自歐洲分子生物學實驗室（EMBL）領導的國際研究團隊首次從原子細節上觀察到抗生素如何影響細菌細胞內的蛋白質產生過程。該研究標誌著科學家首次直接在細胞內觀察主動翻譯機制的原子級結構變化。重要的是，該研究還揭示了翻譯機制如何在單細胞水平上對不同的抗生素擾動作出響應。
支原體（Mycoplasma）是最小的原核細胞微生物，沒有細胞壁，呈絲狀或分枝狀。它們廣泛存在於自然界。已知有5種致病性支原體，其中肺炎支原體（M.pneumoniae）可引起肺炎。雖然個頭兒只有不到萬分之一毫米，但這種極小的細菌具有功能齊全的蛋白質合成機制。因此，支原體在系統生物學和合成生物學研究中被廣泛用作模型細胞。
如今，Cryo ET（低溫電子斷層掃描）技術的誕生已經在生命科學領域帶來了一場解析度革命。該技術允許研究人員使用電子顯微鏡對快速冷凍的生物樣品進行連續成像，並將結果圖像組合成細胞的三維視圖。它就如同迷你版的磁共振成像（MRI）機器。此前，科學家們通過Cryo ET已經在細胞內觀察到主動翻譯的核糖體，不過生成的圖像僅限於納米尺度的解析度。
在這項新研究中，該團隊開發了冷凍ET的圖像處理算法。 他們利用來自原始保存細胞的大規模冷凍ET數據，捕捉分子機器不同狀態下的高解析度快照，並將其合成影像。
當肺炎支原體細胞的冷凍ET圖像呈現在眼前時，最突出的結構之一是微小的黑色斑點，這些就是核糖體。
這種新方法不僅使研究人員能發現和計數細菌內部的核糖體，而且還能以原子級的解析度觀察其結構。通過研究大量在活動周期不同階段「凍結」的核糖體，研究人員破譯了核糖體結構在蛋白質合成過程中是如何變化的。不僅如此，他們還將核糖體定位在細胞內的三維空間，以確定翻譯過程是如何在空間上組織的。
在活細胞內，核糖體作為高度互聯的系統運轉，而不是單個分子機器。該研究揭示了核糖體的新特徵和細胞中不同的翻譯反應途徑。
最重要的是，使用cryo-ET，研究人員可以觀察到當抗生素進入細胞並與核糖體結合時會發生什麼。他們確認了兩種廣譜抗生素氯黴素和壯觀黴素與核糖體上的不同位點結合併破壞蛋白質合成過程的不同步驟。此前對分離核糖體的研究已經預測到了這一點，但還從未在實際細菌細胞內觀察到這種情況。
研究人員觀察到，被抗生素處理的細胞中的核糖體在功能、結構和空間上都發生了根本性的改變。核糖體與細胞內其他複合物之間的相互作用隨著藥物的作用而改變，這表明抗生素的作用可能遠遠超出與核糖體結合的特定複合物。
這些發現有助於科學家們了解抗生素的非靶向效應，同時為設計更有效的抗生素組合提供了基礎。
總之，這個新方法建立了一個框架來分析未來細胞過程的結構動力學，有助於在原子細節上構建功能性細胞模型。
論文連結：
https://www.nature.com/articles/s41586-022-05255-2