Chaque cellule vivante dépend des protéines pour fonctionner et le processus de synthèse des protéines – la traduction – est essentiel à la survie. Les bactéries ne font pas exception, les machines moléculaires impliquées dans la traduction étant l’une des cibles les plus courantes des antibiotiques.
Maintenant, pour la première fois, des scientifiques dirigés par le groupe de Julia Mahamid à l’EMBL Heidelberg ont visualisé au détail atomique comment les antibiotiques affectent le processus de production de protéines à l’intérieur des cellules bactériennes. Cette étude, publiée dans La nature, marque également la première fois que des scientifiques ont observé des changements structurels au niveau atomique dans la machinerie de traduction active directement à l’intérieur d’une cellule, plutôt que d’utiliser des molécules isolées dans un tube à essai. Fait important, cette approche leur a permis d’identifier les mécanismes que ces machines utilisent pour « se parler » à l’intérieur des cellules.
L’étude a été réalisée en collaboration avec des chercheurs du Max-Planck-Institute for Biophysical Chemistry, Göttingen, du Wellcome Center for Cell Biology, de l’Université d’Édimbourg et de la Technische Universität Berlin. La recherche a également impliqué des contributions des groupes Zimmermann-Kogadeeva et Bork de l’EMBL Heidelberg, qui ont aidé les chercheurs à effectuer des analyses bioinformatiques pour observer à quoi ressemble la diversité des protéines ribosomales dans plus de 4000 bactéries représentatives.
Minuscules bactéries et machines moléculaires
Mahamid et son équipe sont des experts dans l’étude de la bactérie Mycoplasme pneumoniae en utilisant une technique appelée cryo-tomographie électronique (cryo-ET). Cette minuscule bactérie, qui provoque une pneumonie atypique chez l’homme, possède une machinerie de synthèse protéique entièrement fonctionnelle, bien qu’elle ne mesure qu’environ dix millièmes de millimètre.
« Nous avons choisi Mycoplasme pour nos études parce qu’elles font partie des cellules vivantes les plus petites et les plus minimales et qu’elles ont été largement utilisées comme cellules modèles dans les études de biologie des systèmes et de biologie synthétique », a déclaré Liang Xue, postdoctorant dans le groupe Mahamid et premier auteur de l’étude.
Cryo-ET permet aux chercheurs de prendre des images en série d’échantillons biologiques congelés à l’aide d’un microscope électronique et de combiner les images résultantes pour former une vue tridimensionnelle d’une cellule – un peu comme une mini-machine d’IRM. « Avec des données cryo-ET à grande échelle provenant de cellules parfaitement préservées, il est possible de capturer des instantanés haute résolution de différents états d’une machine moléculaire en action et de les combiner dans un film », a déclaré Mahamid.
L’une des structures les plus importantes lorsque l’on regarde une image cryo-ET d’un Mycoplasme cellule sont de minuscules taches sombres – ce sont les ribosomes. « Le ribosome est l’une des machines macromoléculaires les plus anciennes, qui peut avoir existé avant même l’émergence des cellules », a déclaré Xue. Les ribosomes sont les principales machines moléculaires impliquées dans la traduction des protéines, et ils sont présents dans toutes les cellules – des bactéries aux humains.
L’approche du groupe Mahamid leur a permis non seulement de repérer et de compter les ribosomes à l’intérieur des bactéries, mais aussi de voir leur structure à résolution atomique. En étudiant un grand nombre de ribosomes « gelés » à différents stades de leur cycle d’activité, les scientifiques ont pu déchiffrer comment la structure du ribosome change au cours du processus de synthèse des protéines. Non seulement cela, mais ils ont également pu localiser les ribosomes dans l’espace tridimensionnel à l’intérieur de la cellule, ce qui leur a permis d’identifier comment le processus de traduction est organisé dans l’espace.
« À l’intérieur des cellules vivantes, les ribosomes fonctionnent comme des systèmes hautement interconnectés, plutôt que comme des machines moléculaires individuelles », a déclaré Xue. « Nous avons révélé de nouvelles fonctionnalités dans les ribosomes et les diverses voies de réaction de traduction dans les cellules. »
Les antibiotiques en action
Fondamentalement, en utilisant la cryo-ET, les chercheurs ont pu observer ce qui se passe lorsque les antibiotiques pénètrent dans la cellule et se lient aux ribosomes. Par exemple, ils pourraient confirmer que les deux antibiotiques à large spectre, le chloramphénicol et la spectinomycine, se lient à différents sites du ribosome et perturbent différentes étapes du processus de synthèse des protéines. Cela avait été prédit par des études sur des ribosomes isolés, mais n’avait jamais été observé auparavant en action à l’intérieur d’une cellule bactérienne réelle.
« C’était très excitant lorsque nous avons pu voir pour la première fois la molécule de médicament se lier à un ribosome à l’intérieur de la cellule », a déclaré Xue. « Mais c’était encore plus excitant lorsque nous avons découvert que les populations de ribosomes dans les cellules traitées aux antibiotiques sont fondamentalement remodelées – fonctionnellement, structurellement et spatialement. »
Les chercheurs ont observé que les interactions entre les ribosomes et d’autres complexes dans la cellule changeaient en réponse au médicament, suggérant qu’un antibiotique peut avoir un effet qui va bien au-delà du complexe spécifique auquel il se lie. « D’une part, cela peut aider à comprendre les effets hors cible des antibiotiques, et peut également aider à concevoir des combinaisons d’antibiotiques pour augmenter leur efficacité », a déclaré Mahamid.
Le groupe Mahamid continue d’utiliser la puissance de la cryo-ET pour étudier les processus biologiques fondamentaux. « Ce que nous sommes capables de faire pour ce système de modèles extrêmement simple est en principe applicable à des modèles beaucoup plus complexes », a déclaré Mahamid. « Par exemple, dans notre groupe, nous étudions l’interaction entre les virus et leur hôte cellulaire humain, l’organisation des cellules souches pluripotentes humaines et le fonctionnement de leurs ribosomes, ou encore les grands organoïdes 3D multicellulaires que nos collaborateurs et nous cultivons à partir de cellules prélevées directement sur des patients atteints du cancer. »
