Biolog istražuje kako stanice grade složene strukture

Ribosomi, stanični strojevi koji sastavljaju proteine, izgrađeni su od desetaka proteina i molekula RNK. Spajanje svih tih dijelova složena je zagonetka, ona koju izvanredni profesor MIT-a Joey Davis, doktor znanosti, pokušava riješiti.

Razumijevanje načina na koji se te strukture formiraju i kasnije raspadaju moglo bi pomoći istraživačima da saznaju više o tome kako poremećaji ovih temeljnih procesa mogu dovesti do bolesti. Ali, kako Davis ističe, to je također zanimljivo biološko pitanje.

„Naš dugoročni cilj je doista razumjeti kako prirodni svijet brzo i učinkovito sastavlja ove ogromne komplekse. To je fundamentalno zanimljivo pitanje o tome kako se te stvari sastavljaju“, kaže Davis.

Njegov rad pomogao je otkriti da se, za razliku od gradnje kuće, koja se odvija u propisanom slijedu koraka, izlijevanje temelja, izgradnja okvira, postavljanje krova, zatim izvođenje električnih i vodoinstalaterskih radova, ribosomi mogu sastaviti na fleksibilniji način. Stanice čak mogu preskočiti korak sastavljanja, a zatim se kasnije vratiti na njega.

„U tim prirodnim sustavima čini se da su putevi sastavljanja puno dinamičniji i fleksibilniji“, kaže. „Čini se da je evolucija odabrala puteve koji nisu strogo uređeni na način na koji bismo zamišljali montažnu traku, gdje uvijek stavljate jednu komponentu, zatim sljedeću, i onda sljedeću. Uzbuđeni smo što razumijemo selektivne prednosti takvih pristupa.“

Tijekom sastavljanja ribosoma, molekule RNK se savijaju u pravilne oblike, stvarajući mjesta za pričvršćivanje proteina. Zatim dolaze još molekula RNK i savijaju se u strukturu.

„To je prekrasno povezan proces kojim stanica savija stotine RNK heliksa i veže se za oko 50 proteina, i to učini za dvije minute od početka do kraja. E. coli to radi 100.000 puta na sat, i nevjerojatno je koliko je proces brz i učinkovit“, kaže Davis.

Cryo-EM omogućuje znanstvenicima da snime ovaj proces u najsitnijim detaljima. Može se koristiti za snimanje stotina tisuća dvodimenzionalnih slika uzoraka ribosoma smrznutih u tankom sloju leda, iz različitih kutova. Računalni algoritmi zatim sastavljaju te slike u trodimenzionalni prikaz ribosoma.

Kako bi dobili uvid u način sastavljanja ribosoma, istraživači mogu zaustaviti proces na različitim točkama, a zatim analizirati rezultirajuće strukture. Davisov laboratorij razvio je novu metodu pod nazivom CryoDRGN, koja koristi neuronske mreže za analizu Cryo-EM podataka i generiranje cijelog ansambla struktura koje su bile prisutne u uzorku.

Ovaj rad je pokazao da kada su određeni koraci sastavljanja ribosoma blokirani, nastaju mnoge različite strukture, što sugerira da se sastavljanje može odvijati na različite načine.

U budućem radu, Davis ima za cilj dramatično povećati propusnost krio-EM-a kako bi generirao skupove podataka o proteinskim strukturama koji bi mogli pomoći u poboljšanju modela temeljenih na umjetnoj inteligenciji koji se sada koriste za predviđanje proteinskih struktura.

„Još uvijek postoje ogromni dijelovi prostora sekvenci koje ovi modeli vrlo slabo predviđaju, ali ako bismo mogli prikupljati podatke o tim sekvencama masovno, to bi potencijalno moglo poslužiti kao ključni podaci za obuku za metodu predviđanja strukture proteina sljedeće generacije koja bi mogla popuniti taj prostor“, zaključuje Davis.