在Diamond Light Source的新型长波长大分子晶体学光束线(I23)的开创性研究首次证明了钾离子在细菌核糖体中的位置。核糖体是细胞的蛋白质工厂，尽管它们对生命至关重要，但对于其结构和功能至关重要的金属离子位点知之甚少。最近在Nature Communications上发表的着作展示了I23光束线的奇妙应用，并揭示了钾离子的重要作用。
核糖体是巨大的蛋白质工厂，存在于来自各种生命形式的细胞中，并且负责将遗传信息准确地转化为蛋白质。它们是细胞中最复杂的RNA-蛋白质组装，需要金属离子来维持其结构和功能。虽然这是细胞的重要组成部分，但这些大型复合物中金属离子的确切类型和位置尚未确定。事实上，早期对核糖体进行表征的努力过分强调了镁离子的重要性，因此其他金属离子在很大程度上被忽略了。
一个国际研究小组试图完全确定钾在核糖体中的作用。使用Diamond独特的长波长大分子晶体学光束线(I23)，该团队能够精确定位细菌核糖体内的数百种钾离子。尖端技术首次在三维结构基础上证明钾离子不仅参与核糖体RNA(rRNA)和核糖体蛋白结构的整体形成，而且它们也发挥着重要作用在它的功能。
这些结果填补了巨大的知识空白，也可能导致潜在的治疗应用。通过充分了解细菌核糖体的复杂性，希望它们可能成为开发新类抗生素的目标。
核糖体是蛋白质合成必不可少的，由两个复杂的亚基组成。虽然它们的结构先前已经通过X射线晶体学和低温电子显微镜(cryo-EM)进行了彻底的表征，但是支持其结构和功能的确切金属离子却让科学家望而却步。
当核糖体经受衍射实验时，金属离子有助于电子密度区域。默认情况下，研究人员将这种密度归因于镁离子，以生成三维结构模型。然而，众所周知，钾在核糖体中也起重要作用，因为它的退缩导致展开。
这项欧洲合作项目涉及遗传学和分子与细胞生物学研究所的Gulnara Yusupova和Marat Yusupov(IGBMC，法国斯特拉斯堡)，以及来自IGBMC的衍生公司的Alexey Rozov，名为“RiboStruct”。我们一直在努力朝着我们的主要目标迈进30年，了解核糖体的原子结构如何最终决定其非凡的功能：蛋白质合成。钾是细胞中最丰富的阳离子，因此被认为对所有细胞过程都很重要，但它对翻译的影响从未被详细研究过。“Gulnara Yusupova和Marat Yusupov团队表示。因此，他们开始了长时间的研究在I23的Armin Wagner博士的团队的帮助下，完全表征细菌核糖体内的钾离子。
经过两年多的开发，I23是Diamond独有的设施，涵盖了世界上任何其他同步加速器所不具备的能量范围。I23的首席Beamline科学家Wagner博士和该研究的作者之一解释了光束线的能力：“独特的波长范围使我们能够真正针对钾的结合。因此我们可以围绕吸收边缘进行实验我们计算三维地图，突出了有助于散射的原子。“
该研究的重点是来自嗜热栖热菌(Thermus thermophilus)的细菌核糖体。研究人员将他们的努力集中在与信使RNA和转移RNA复合的核糖体的晶体结构上。通过测量K边缘处的异常散射信号，他们可以检测到钾离子。
Wagner博士在I23的团队帮助计划和完成了这项研究，这是世界上第一个此类研究。研究最复杂的生物系统之一就是征税，IGBMC和RiboStruct的团队花了一年多时间分析数据，以前所未有的精确度定位钾离子。
钾的重要作用
研究小组看到了数百种钾离子，其中许多位于核糖体内的重要位置。当与信使RNA结合时，最重要的一个稳定解码中心，信使RNA将遗传信息传递给核糖体。这些见解确实显示了钾在蛋白质合成中的重要作用。
通常，cryo-EM主要用于探索核糖体结构，但本研究表明晶体学可以提供独特的见解。电子还不能准确定位钾和其他金属离子。
研究小组将继续努力使用低温EM和晶体学来表征核糖体，他们打算在未来研究高等生物。在Diamond，Wagner博士旨在实现I23作为有价值的研究工具的潜力。“I23目前是唯一可以进行这项研究的设施。它表明I23可以确定轻质原子的位置，如钾，钙，氯，磷，硫，所有具有高生物学意义的原子。这项研究只是开始，我们期待更多令人兴奋的光束线结果，“他总结道。