开关如何在细菌中起作用

核糖开关位于信使核糖核酸(mRNA)上，其将遗传信息传递到蛋白质生物合成的位置。核糖开关由测量小代谢分子浓度的传感器和控制基因表达的效应物组成，因此合成蛋白质。由于核糖开关存在于许多细菌病原体中，它们代表了新抗生素开发的重要目标。其他应用在合成生物学中是可能的。例如，可以用核糖开关对细菌进行遗传修饰，以检测和分解低分子环境毒素，例如除草剂。然而，需要基本了解核糖开关功能的基本过程。这项工作在自然化学生物学 在这方面是一项重要贡献。

在由海德堡卡尔斯鲁厄研究伙伴关系(HeiKA)资助的项目中，应用物理研究所(APH)的Gerd Ulrich Nienhaus教授，纳米技术研究所(INT)以及KIT的毒理学和遗传学研究所(ITG)与海德堡大学药学与分子生物技术研究所(IPMB)的AndresJäschke教授合作。工作重点是S-腺苷-L-蛋氨酸(SAM)-I核糖开关。“将SAM分子连接到这个核糖开关上会导致构象，即原子的空间排列，从反终止子(AT)变为终止子(T)结构，”Nienhaus解释说。“结果，基因表达被关闭了。”

首先，海德堡的科学家合成了SAM-I核糖开关，并在不同的点上用两种不同的荧光染料特别标记它们。然后，KIT的研究人员使用高灵敏度的光学显微镜测量这些RNA分子的高空间和时间分辨率，测量单个染料分子的荧光发射。通过Förster共振能量转移(FRET)实验，直接确定构象动力学。为此目的，激光辐射用于使绿色染料发光。如果红色染料位于附近，它可以接收绿色染料的激发能量并自身发光。能量转移的可能性很大程度上取决于染料彼此之间的距离。可以通过红色染料的发射直接观察到染料特异性附着的分子的结构变化。由于光发射非常弱，需要基于隐马尔可夫模型的复杂数据分析方法。柏林自由大学化学与生物化学研究所的Bettina Keller教授开发了特别针对此类实验的方法，以区分时间相关的发光信号和噪声。

在他们的分析中，研究人员不仅成功地区分了SAM-I核糖开关的两种构象(T和AT)，而且总共有四种构象(T1，T2，AT1和AT2)。令人惊讶的是，在存在和不存在SAM的情况下，核糖开关没有完全在SAM和AT结构之间切换，如所预期的那样，但是在所有状态之间永久地波动，只是权重被移位。对于生物功能而言重要的结果是用附着的SAM观察到的结构波动比没有SAM的结构波动快得多。由于信使RNA上的核糖开关序列直接位于待控制基因的前面，因此RNA分子必须在SAM存在下尽快形成T结构(关闭)以防止随后要控制的基因的转录。因此，通过SAM附着加速结构波动，确保了足够快速地形成T结构。“因此，SAM-I核糖开关的动力学对其功能起着重要作用，”Nienhaus总结道。“这些对生物分子功能的详细见解是物理学，生物技术和理论化学的跨学科方法的结果。”

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