Dünyanın İlk “Moleküler Filmi”: DNA’nın Hayatın Planına Dönüşümünü Gerçek Zamanlı İzleyin
EMBL bilim insanları, yenilikçi bir yaklaşım kullanarak moleküler makineler arasındaki kilit etkileşimleri ortaya çıkardı ve potansiyel olarak ilaç geliştirme için yeni yollar açtı.
Bir film gecesi için film seçmek her zaman bir mücadeledir. Şimdi, bizi hayatta tutan en temel biyolojik süreçlerden bazılarına bir pencere açan bir film seçebildiğinizi hayal edin. Araştırmacılar, bakterilerde iki temel hücresel sürecin – transkripsiyon ve translasyon – birbirleriyle nasıl etkileşime girdiğini göstermek için ilk kez gerçek zamanlı bir moleküler film çektiler.
Tüm canlı organizmalarda DNA, hücresel yapıları ve işlevleri tanımlayan kodu içerir. RNA polimeraz adı verilen bir enzim bu kodu deşifre eder ve DNA’ya çok benzeyen bir molekül olan RNA’ya dönüştürür. Yaşam kodunun DNA’dan RNA’ya bu şekilde aktarılmasına transkripsiyon denir. Daha sonra, ‘ribozom’ adı verilen moleküler bir makine, hücrelerimizin temel işlevlerinin çoğunu yerine getiren moleküller olan proteinleri oluşturmak için RNA’da kodlanan mesajı kullanır. Bu sürece çeviri denir.
Bu video, transkripsiyon ve translasyonun fiziksel ve işlevsel olarak birbirine nasıl bağlı olduğunu şu anda nasıl anladığımızı özetlemektedir. Çok renkli tek moleküllü floresan mikroskobu kullanarak, transkripsiyon ve translasyon uzamasını ve RNA polimeraz ile ribozom arasındaki bağlantıyı eşzamanlı olarak takip ettik. Tek ribozomların RNA polimeraz ile çarpıştıktan sonra nasıl yavaşladığını ve uzun menzilli fiziksel bağlantı yoluyla RNA polimerazı aktive ettiklerini görüyoruz.
EMBL Heidelberg Grup Lideri ve yeni çalışmanın kıdemli yazarı Olivier Duss, “Bakteri hücrelerinde transkripsiyon ve translasyon aynı hücresel bölmede gerçekleşir” dedi. “İnsan hücrelerinde transkripsiyon, DNA’nın depolandığı ve hücrenin geri kalanından bir zarla ayrıldığı bölüm olan çekirdeğe lokalize olur. Transkripsiyonu yapılan RNA daha sonra proteinlere çevrilmek üzere çekirdeğin dışına taşınır, bu da yalnızca sitoplazmada – çekirdeği çevreleyen hücresel bölmede – gerçekleşir. Bakteriyel hücrelerin hücresel yapıları çok daha basittir ve çekirdekleri yoktur, dolayısıyla transkripsiyon ve translasyon sadece aynı yerde değil aynı zamanda aynı anda da gerçekleşebilir.”
Bilim insanları daha önce transkripsiyon ve translasyonu tekil süreçler olarak tanımlamışlardı, ancak bu ikisinin nasıl etkileşime girdiği tam olarak anlaşılamamıştı. Bunun nedeni kısmen, bu tür çalışmaların dondurulmuş örnekler gerektiren kriyo-elektron mikroskobu gibi tekniklere dayanması ve dolayısıyla sürecin yalnızca anlık görüntülerini sağlamasıydı.
Moleküler Etkileşimleri Yakalamak için Gelişmiş Araçlar
Bu sorun, önemli hücresel işlevlerde yer alan büyük moleküler makinelerin birbirleriyle nasıl işbirliği yaptığını anlamak için tek molekül teknolojileri, yapısal biyoloji ve biyokimyayı kullanan Duss Grubu’nun ilgisini çekti.
Çeviri ve transkripsiyonun birlikte nasıl çalıştığını araştırmak için, araştırmacı bilim insanı Nusrat Qureshi liderliğindeki araştırma ekibi, bu süreçlerin gerçekleşmesi için gereken hücresel ortamı yapay olarak yeniden yarattı. Bu, tek moleküllü çok renkli floresan mikroskobu adı verilen bir teknik kullanarak, etkileşim halindeki ribozomların ve RNA polimerazların dinamiklerini her seferinde bir çift olmak üzere yakından takip etmelerini sağladı.
Basitçe söylemek gerekirse, bu teknik RNA polimeraz ve ribozomun yakınlık sensörü görevi gören küçük kimyasallarla etiketlenmesiyle çalışıyor. İki molekül etkileşime girdiğinde, floresan mikroskop tarafından yakalanabilen bir sinyal yayarlar. Etkileşim durduğunda ise sinyal kayboluyor.
Bilim insanları bunu kullanarak RNA polimeraz ve ribozom arasındaki dinamik etkileşimin birkaç dakikasını yakaladı. İlk kez bir mikroskoptan bakarak transkripsiyon ve translasyonu eş zamanlı olarak izleyebildiler.
Duss, “Sonunda tüm süreci izleyebildiğimiz için çok heyecanlıyım” dedi. “Bu anlık görüntüleri harekete geçirebiliyoruz ve bu da iki makinenin nasıl işbirliği yaptığını daha iyi anlamamızı sağlıyor. Hepsini bir araya getirdiğimizde, başka türlü tahmin edilemeyecek davranışların ortaya çıktığını görmeye başlıyoruz.”
Bilim insanlarının keşfettiği bu türden bir davranış, RNA polimeraz ve ribozomun, onları birbirine bağlayan oldukça uzun bir RNA döngüsü ile uzaktan bile iletişim kurabilmesiydi.
Bu iki moleküler makine, uzun bir iple birbirine bağlanmış bir çift dağcı gibi hareket eder. Halat birbiriyle çarpışmayı önleyecek kadar gevşek, ancak gerektiğinde her dağcının diğerine yardım etmesine izin verecek kadar sıkıdır.
Ekip ayrıca, çeviri aynı anda gerçekleştiğinde transkripsiyonun daha verimli olduğunu gözlemledi. Başka bir deyişle, aktif bir RNA polimerazı aynı RNA molekülü üzerinde ilerleyen bir ribozom takip ettiğinde, üretkenliği daha yüksektir.
“Bu süreçlerin birlikte nasıl çalıştığını izleyebilmek çok güzel. Bir ekipte çalışan herkes işbirliğinin önemini bilir,” diyor Duss. “Eğer herkes kendi başına çalışmaya çalışırsa, verimlilikleri çok daha düşük olacaktır. Görünüşe göre hücrenin moleküler makineleri de bunu biliyor.”
Bu çalışma yapay bir düzenekte izole edilmiş moleküllere odaklanırken, Duss Grubu şimdi bu süreçle ilgili anlayışlarını canlı hücrelere genişletmeye hazırlanıyor. Yakın zamanda aldıkları ERC Konsolidatör Hibesinin bir parçası olarak, ‘tırmanma’ koordinasyonunun sadece iki ortaktan daha fazlasını içerip içermediğini görmek için çalışmaya ek hücresel süreçleri de dahil etmeyi planlıyorlar.
Temel hücresel mekanizmaların bakterilerde nasıl çalıştığına ışık tutmak, antibiyotik direncinin önemli bir sağlık sorunu olduğu bir dönemde bakteriyel patojenlerle savaşmak için yeni yollar geliştirmenin yolunu açıyor. Araştırmacılar potansiyel olarak standart antibiyotiklerin ötesine geçerek, sadece bir yerine iki hücresel makineyi birlikte hedef alarak direnç sorunlarını önleyebilirler.
Duss, “Bu çalışma, daha geniş bağlamda temel araştırmanın önemini gösteren harika bir örnektir” dedi. “Temel araştırmalar biyolojinin nasıl işlediğini anlamamıza yardımcı olur ve bu da yeni ilaçlar, gelişmiş tedaviler ve daha iyi fırsatlar gibi yeni keşiflere dönüşür.”
Kaynak: https://scitechdaily.com
DNA’nın Gizli Dünyası: Gen Anahtarları Hakkında Bildiklerimiz Yanlış mı?