Ada E.  Yonath (2010) - The Amazing Ribosome

Ribosomes are the universal cellular machines that act as polymerases that translate the genetic code into proteins. They posses spectacular architecture accompanied by inherent mobility that facilitate their smooth performance in decoding, peptide bond formation and nascent protein elongation

It’s a great pleasure for me to be invited to this well-known annual meeting. Especially as a laureate and I’m so happy to see so many young people that want to listen. What I want to ask is to put off this light, as it as before, please. So I want to tell you all about the amazing ribosome and I have 25 minutes so I won’t be able to say all what I want and all what is worth saying. I’ll try to highlight several points. Ok, DNA is the mechanism of all cells to store and protect the genetic code. It’s a very good storage place because the genetic code which are the combinations of this basis is now protected by the external sort of walls, backbone of the DNA, and the DNA itself can be packed very closely, so very compactly so the information doesn’t or cannot leak out. The gene products, the genes is what the DNA has in it, are called proteins. And proteins can do, or are doing almost everything in the cell. Here is a picture from a children’s book, but I like it and I have some more children’s books, pictures. You can see what proteins can do, they can be structural, like hair or skin or connective tissues, there can be signalling, they can be involved in regulation, they can be transporting things from the transporting proteins. You surely, you surely know about haemoglobin that transports oxygen from the lung to the cell and CO2. They can be enzymes that I think that even high school students now study about them. They are the chopping, the connecting, the workers that do the chemistry and they also can be receptors like eyes and ears and so on. The proteins in the eyes, ears and so on. The fold of the proteins is carefully designed to facilitate the proteins function so it’s not just that every protein can do everything, each protein has its role. And this is decided, the role is decided by the fold and the fold is decided by the sequence of the building blocks. The building blocks of proteins are called amino acids and there are 20 types of them. So just let’s look again at the children’s book, actually I recommend very much this children’s book, it’s called Biokit and it was written in the ‘80’s, last century, still very correct except for the ribosome. There are 20 types of amino acids and they all have the same backbone, I just drew it here in different colours but the same structure. And they have side chains that may be tools and that when it becomes longer which is polymerisation this is the meaning of making the proteins from the amino acids. The tools are hanging out and they must be folded correctly in order that the tools can do the work. So they cannot be just something long, they have to be correctly folded. And I want to show you 1 or 2 possibilities of correct folding, like the lock and the key model for protein and its substrate. For instance here should be a match, total full perfect match between the lock and the key, in order that the key can work, the same is here. Protein is a structure, things will happen here in the active site. Let’s have a look at it closer, here is an active site of a protein. I’m sure that you know the names of the atoms, oxygen, nitrogen, carbon, plus hydrogen and sulphur that you don’t see, sorry, the yellow. And the active site is just here. You see the cavity, here things happen and have a look at it closer, this is where things happen. Now there is a substrate that will be chopped here and the fit, the matching between the substrate and the protein has to be correct, otherwise there will not be chopping or adding or whatever the protein has to do. So as I said the sequence of the protein determines its fold and the sequence itself, it is determined by the sequence of the gene that codes for it. So what really happens is that there is DNA as we saw earlier. It is transcribed into a molecule that can be living, can function as a single chain, not a double chain like DNA, it’s called RNA. And in this particular case messenger RNA. RNA is very similar to DNA in terms of the basis but different a little bit in the main chain and therefore it can be existing and functioning as a single strand. This is being translated into proteins by the ribosome. From the same children’s book, this is what happens, there is a gene, the gene is being opened by an enzyme or actually enzyme couples that’s called opener and being copied by another complex that is called copier in this slide and now we have messenger RNA. That is dictated, the sequence of its basis is dictated by the sequence of the DNA because they make the same type of what's on correct base pairs. The ribosome is now the factory that gets the information, the instruction from the gene through the messenger as a papal tape that comes in, being read. Drugs are bringing the amino acids, these drugs are called tRNA and each amino acid has its own tRNA in every cell. Sometimes there is more than one tRNA for each amino acid. Here they are shown in different colours to distinguish between them but actually they are chemically different. Protein is being made here and comes out as a chain here. The drugs can go out, tRNA can go out, look for more work, also the suctions can go out, look for more ribosomes and the whole process is a consuming 2 GTP molecules. So the ribosome is actually a factory. And it builds the newly born protein by adding amino acids one at a time. Let’s have a look at it in a minute. Each cell contains a huge number of ribosomes, highly active mammalian cells can reach 6 millions for instance in the liver. Even bacteria can reach about 80 to 100,000 ribosomes working together when the bacteria grows. The ribosomes act continuously, they form 20 bonds, about 20 bonds in a second. And how do you make mistakes, fidelity rate of 99.99999%, it means one mistake in a million. I was a good student, I studied chemistry and I was a good student, I had a very good inorganic chemistry, I had to make a peptide bond as my second year exercise, took me a day, I needed 100 degrees, I needed high acidity like more than a lemon and I made mistakes and I was expected to make mistakes. I just told you this in order that you appreciate how amazing is the ribosome, it makes 20 in a second under the conditions of the cell where it is in. So let’s see, firstly what the ribosome has to do. Here comes messenger RNA, it has 4 bases like DNA. And I made them here in 4 different colours to distinguish between them. Each 3 of them, each triplet is coding for one amino acid, where are the triplets, shall I start here, shall I start here, shall I start here, have a look, shall I start here, shall I start here, shall I start here, there will be completely different protein if I start somewhere else. Or if I skip one, or if I don’t know where the first one is. So the ribosome knows to select the right framework and the right position. When the triplets are defined the first one to be translated has to be identified and it happens on the ribosome, like here. So we can see now there are triplets. And the first triplet has been already associated with the tRNA, remember the drug, that associates with this in one end of it which is called anti-codon loop, that can make Watson Crick base builds with the triplet and carries the cognate amino acid to it, far away actually from the anti-codon loop. And it all happens on the ribosome and I really want to show you how we visualise it and the first structures came out, back 8 years ago, this movie was made by art students together with us and it’s interpolation between our results and some others. So the messenger comes to the small sub unit, detects it, please forgive me, let’s go back for a minute. There are 2 subunits in the ribosome, I didn’t say this, sorry. First small subunit that is also initiating, this is the clever part of the ribosome, the small subunit, it knows to think or at least to select, select the frame, select the first one. It cannot make mistakes. The large one is where the peptide bond is being made. So now you can see the movie. So please pay attention to the movie. In the beginning when the messenger reaches the ribosome, the ribosome, the small subunit makes a motion to get it. If the movie doesn’t come I will tell you all about what you could have seen. Ah now you see. Usually this is what happens when I say it doesn’t come, it comes. So the messenger comes and it takes it, now it wraps around it and the RNA factor is non ribosomal factors, for instance the initiation factors that are associated to the initiation complex but we leave. The first tRNA is being brought by another factor, now all the factors leave. The large subunit can come and makes bridges by conformational changes. Now we have an active ribosome. That can continue peptide bond formation and protein production. So the ribosome helps the tRNA’s to come in, they are brought by factors, they can come out, peptide bond is being made in the large subunit. We take it away now so that you can see how the motion happens, tRNA moves, the lower part rotates, moves and moves together with the messenger and the protein goes out through a tunnel in the large sub unit. Now you see again the whole ribosome, protein will come here, it has to fold, either alone or mainly by chaperons or through the membrane if it goes through a membrane. And the whole process continues until stop codon is being recognised and then factors like recycling factors, release factors are replacing the tRNA. The 2 subunits can dissociate, protein comes out, tRNA’s can go and look for more jobs. In the movie you didn’t see structures, here you can see small subunit in bacteria is of the molecular rate of about .85 million Daltons. It’s made many of RNA, like the whole ribosome, RNA here is in silver and many proteins, So that’s a small subunit, you see it looks like a duck, here is a duck, so it’s called a duck. And the large subunit is called a crown and now it looks like a crown. So again RNA is in silver, many proteins, 34 proteins in bacteria, makes the peptide bond and make sure there is elongation and protection. These are ribosomal proteins, I won’t talk about them. What you saw actually in the movie was small subunit, large subunit, 3 positions for tRNA. A, P and E, A and P are above the active site, it’s called peptidyl transfer is centre. A for amino oscillated tRNA. The one that comes with amino acid. P for the peptidyl tRNA. Where the newly protein will grow. And E is the exiting one. So when one looks at the surfaces of the small, the duck and the crown get together, one sees that the surfaces are rich in RNA, almost no protein around. Here there will be the A, P and E and if you see here is the tRNA that combines them. This part will meet here and this part will meet here so what you see coming together means doing this, like my hands. Protein will be made here where the star is by the amino acids. What we found in the structures is the ribosome is not a protein enzyme, it’s an RNA enzyme, almost all its functions are made by RNA. So all what I told you in the beginning that proteins are very important, they themselves are made by RNA, RNA machine. Most of the ribosomes are made from 2 to 1 ribosomal RNA to ribosomal proteins except for mitochondrial that has more proteins. But still the active centres are made of RNA. And this is in a code with what Francis Crick promised us back in 1968. We found in the ribosomal region that accommodates the A and the P sites tRNA, it’s in all ribosomes and I have no time now to tell you about all what's known today. I show you 5 but there are about 30 structures today, all have this region that has symmetrical relation between the A and the P sites, where the A and the P tRNA bind. And we think that the motion between the A and the P is as we see here, the A blue goes into the P green, this is a snap shot, a computer snap shot of the motion where the ribosome is in red and the blinking part are those that help confine and make sure that the motion is correctly. At the end of the motion the stereochemistry is fit for making the A protein bond, peptide bond. And this is what we think the ribosome A provides, the frame for that. What is needed geometrically that this frame works and this reaction works, is that the A-site, tRNA sits exactly in place so it can rotate and the P-site tRNA, the first one goes to its position in the right orientation flipped. Now think about yourself, you're go into an empty room and it’s the same in both sides, which side will you take, this or that. You don’t know, correct. tRNA also doesn’t know but we have no time in the cell to wait until the tRNA thinks it’s better here, it’s better there, I stay here, I stay there. So the ribosome makes provision for that, it provides 2 potential base pairs on the P-site and only one on the A-site, so the first tRNA will go and take the 2, of course 100% more. And therefore the reaction can start. It was also found that when these 2 and this 1, base pairs are formed, the tRNA itself can be the catalyst of this reaction, catalyst of its own reaction, this is a very ancient way of catalysis. So this is what we studied until now, I just want to show you this region that I talked about, it does everything. It’s connected to the 2 hands that move when tRNA come in and out and also to the tunnel and this is where peptide bond is being made. You can see it here in a little bit more detail, tRNA would come here, you remember in the movie, these ends were moving. So we think that it can transmit messages, you can see it here, how beautiful it is, within the ribosome, in the large subunit but connected to the small one. From top you have seen it before, from the side it looks like a pocket. And this gave us the feeling that, you can see it now larger, that there is something in it. We looked into the conservation and we found out that this region is 98% conserved in all known sequences of ribosomes, from bacteria to elephants if you want, everywhere. We also thought because of it that the high conservation of the symmetrical region indicated existence beyond environmental conditions. This suggests that the proto ribosome which was a simple dimeric RNA enzyme, so there was a proto ribosome, is still embedded in the core of the contemporary ribosome, like here. So we think that we identify how the first peptide bonds were made and consequently proteins. We call it proto-ribosome this region and we are trying now to construct it. And this is our hypothesis, there were 2 pieces or many pieces of RNA that could dimerise and make this type of pocket that can do chemistry. So we found to our surprise that there is preferred selection of those that like to dimerise and those that do not. It means we see Darwin before Darwinism, we see selection that is usually given to animals or to cells, here functioning on molecules. So let’s forget this, what we think, this was the pocket, pocket opens and grows and so on and so on. It is in agreement with several studies done independently showing that looking at how the ribosome is built, it’s clear that it was made from a centre which is the symmetrical centre, this is from Steinberg’s group in Montreal. Or by peeling it, showing again that the centre is the most important one. So this gave us the feeling that we can start to think what was the first amino acid, was it an alanine and glycine because they are simple, or lysine and arginine or histidine because histidine can be made from left overs of RNA pieces. And the most important question is what was first, the genetic code or its products. According to our idea the products showed how genetic code will go because when small peptides were made those that existed indicated how to make new ones. The question, the more human type question is why should RNA make enzymes that are better than him, in the beginning all enzymes were RNA enzymes and they were not so successful as proteins. Why should it make a competitor that is better than him? We don’t think it happened like this, we think that it just, that there wasn’t just a machine that was there, that was taken over by the amino acid. I want to show you that the ribosome protects the newly born protein in this tunnel. And at the end of it there is a chaperone that helps it fold. In new bacteria the chaperone is called trigger factor, it’s made of 3 regions. The red one is the one that binds and when it binds it opens up. And when the trigger factor opens up it exposes the hydrophobic region that can help the newly born protein not to make mistakes in folding. When the protein comes out it’s still not full, it’s still not folded and it has to have a helper. And the helper here is the trigger factor that provides an environment that the newly born protein can like. For instance have a look here at the end of the tunnel, here is trigger factor bound in gold and if protein, newly born protein comes out and is protected by it so it will not make too many wrong foldings. You can see it even more beautifully from this side. Here is the protein coming out and the trigger factor helping it. So in the very little time left I want to talk a few minutes about antibiotics because this is the implication of our work. Because of the fundamental role played by the ribosome meant that antibiotics target it. The natural antibiotics are the ammunitions that bacteria from one type is making in order to eliminate another type when they have their fights, their microorganism fights. About 40% of the useful antibiotics target the ribosome and we like to compare it between David and Goliath. David had the small stone, had to kill big Goliath, small stone antibiotic, less than 1000 Dalton, about 800 Dalton, has to paralyse 2½ million Dalton. David hit the head of Goliath here because it’s exposed and because it’s important. It’s not the only exposed region but the most important for life functionally. The same are the antibiotics, they hit the ribosome in the important parts. Here there are 3 of them, one in the active site, the other where bond is being made and the third, the erythromycin in the tunnel. Have a look, this is the tunnel, so this is the large ribosomal subunit to tRNA’s. The tunnel is shown by polyalanine and goes through it. A zoom into it is shown here. And you pay attention, there is a very narrow region here where antibiotics from the family macrolides, the most abundant family bind. Like that, so here is the tRNA, the protein would go here, peptide bond is being here but if there is erythromycin on the site from the macrolide family it will stop it. What you see here is a cut through the ribosome where the large subunit is shown here in beige and the other parts I already show, talked about. From top you can see it like that, the whole ribosome, you look into the tunnel and it is now blocked by erythromycin. All antibiotics bind to the ribosome functional site, I just said it, this is the way they function, this is the way they kill the pathogenic bacteria. But the ribosomal functional sites are highly conserved. So how do the antibiotics differentiate between the pathogen and the patient? They do it by subtle differences. You want to see a subtle difference, here it is. So here is the tunnel wall, there are many, many antibiotics here, all structures determined by us in complex with the ribosome. All bind to one position, number 2058 in the RNA sequence. So you see here the tunnel and this is this particular nucleotide which is very important in the tunnel wall for binding macrolides. It’s an adenine in new bacteria. But it’s not an adenine in us, have a look here, adenine and erythromycin, this is the type of interactions, quite nice ones. Please concentrate here, this is now guanin so that’s pathogen and this is us. Eubacteria in human, that's the only difference. But this is already dictating too short contact and the erythromycin is rejected. So that’s the way they bind. But we do know that antibiotics have resistance and prominent mechanism of resistance is to modify the attachment part, the anchors. What do I mean, you remember earlier 2058, adenine and erythromycin here, this becomes larger, either by mutation or by ERM modification I want to show you. So what's here is antibiotic selectivity, A in eubacteria, G in eukaryotes, all what I had to do is to change the word here from selectivity to resistance. Exactly the same place. So either the bacteria do A to G mutation or post translational ERM modification which metylation making this larger. So this is the way antibiotics, clever antibiotics know to resist, clever bacteria knows to resist antibiotics. The way to combat this, either to make new compounds with additional anchors or minimise the need for the original anchors or make drugs from 2 components. So I want to show you first how companies try to make compounds that can bind without A2058. And I was really terrified because I thought if they bind to resistant bacteria they will also bind to the patient. I was wrong and I want to show you how we know that I was wrong. For this we want to talk about bacteria, human and in the middle there is an archaea. In the dead sea in Israel there is a bacteria that is an archaea. You can see the dead sea from top, from the side, you see it’s very salty, you can see the bacteria still going even on the salt and even in the summer after the water went down, it still grows there. This bacteria was crystallised by us and the structure was determined at Yale and the same antibiotics that bind to resistant bacteria binds to it, it has a G, instead of A. So I was really happy that I was wrong in my prediction. When we look at the patient’s model, that was done at Yale and pathogens that were done by us, one next to the other, we see that the antibiotic binds across the tunnel in the pathogens and along the tunnel in human or in human model. The other type that, so let me go back for a second, this shows that it’s not enough to bind, it has to be bind correctly. So those guys that want here to do drug design. The other type is to make antibiotics from 2 components, here they are again, the tunnel wall, one component, second component, each component is not so good but together they are the winning couple. They made my face from here to here when the first one came to the market called Synercid and we are now making one of our own on this. All antibiotics bind to important functional positions. I showed you here in the active site and in the tunnel, they also bind where messenger RNA goes. So few words, how did we do our studies because I think it’s good for young people. Crystallography is important to see very small distances between atoms. Crystals are made of unit cells that have to be the same. Crystallographers crystallise it, collect data by shining x-rays because there are no lenses that can look at such small distances as we need, atomic positions. And we get at the end many, many spots that we have to combine together to make electron density map that we may or may not be able to interpret. Crystallising salt is no problem, crystallising lysozyme is no problem but crystallising ribosome that is so complicated, so unstable, so deteriorating and so flexible, so heterogeneous, it was not really expected. But I write a paper about hibernating bears that when they sleep the ribosomes are packed on the inside of their cells, on the inside of the membranes and I understood that ribosomes can be orderly packed. I thought that this is the way nature preserve active ribosome’s for the whole winter. And I used for this very robust ribosomes as I said earlier. And at the end we got crystals, I don’t want to go into all details but the beginning was this and I will not talk about so much on the structure, just on what happened to these crystals when we measure them at synchrotrons. So synchrotrons are based on having particles running fast and on the tangentials we measure. Ribosomal crystals deteriorated within .1 of a second. Can you imagine 8 years to get good crystals and then losing them in .1 of a second. We found, we thought that we can fight it and I can explain later how, this is the day of the experiment, look how worried I looked. Within one night we found that by cryocrystallography we can preserve crystals. We got out patterns and the whole world got patterns. Now there are so many structures compared to what was before that. And other things happened the same time so I’m still happy 20 years later. And this is the machine, it’s more important the machine than me. I want to thank the Weizmann Institute that kept me and Max Planck, the NIH, the Weizmann Kimmelman Centre for financing what was called my dream, that was based on the bears. My groups in the Weizmann and at Max Planck for their enthusiasm in good and bad times. Dr. Wittmann that we started with. I want to show you the German group, the Hamburg group that went to the Dead Sea to look for bacteria themselves. And the Israeli group that is run by Annette Bashan when I am here. And Tamara that had birthday, she came for 10 weeks 12 years ago, she is still with us. She had birthday, she had a cake, this is her cake, which shows that ribosomes are sweet in my group. And my family, especially my granddaughter. Why do I say it, I say it for the young women that sit here, it’s possible to be scientist and be loved family member, look what she wrote here. There is no year, I asked her why there is no year, she said every year you have to reprove yourself. So they love me but they are also very demanding. Please young ladies go into science it’s a lot of fun, even without prizes. And that’s what happened to me, thank you very much for a very stimulating and I think a very good advice at the end of it.

Es ist mir eine große Freude, zu diesem bekannten jährlichen Treffen eingeladen worden zu sein, insbesondere als Preisträgerin, und ich bin sehr glücklich, so viele junge Leute zu sehen, die zuhören möchten. Die IT-Leute möchte ich bitten, dieses Licht auszumachen, so, wie es vorher war, bitte. Ich möchte Ihnen nun alles über das erstaunliche Ribosom erzählen, und da ich nur 25 Minuten zur Verfügung habe, werde ich nicht alles sagen können, was ich sagen möchte und was es Wert wäre, gesagt zu werden. Ich werde versuchen, mehrere Punkte hervorzuheben. DNA ist der in allen Zellen vorliegende Mechanismus, um den genetischen Code zu speichern und zu schützen. Sie ist ein sehr guter Speicherort, denn der genetische Code, der aus Kombinationen dieser Basen besteht, wird nun von einer Art externer Mauer geschützt, dem Rückgrat der DNA, und die DNA selbst kann ganz dicht gepackt werden, so kompakt, dass die Information nicht austreten kann. Die Genprodukte – die Gene sind das, was die DNA beinhaltet – werden als Proteine bezeichnet. Und Proteine können so ziemlich alles in der Zelle tun. Hier ist ein Bild aus einem Kinderbuch, aber mir gefällt es und ich habe noch weitere Kinderbücher, Bilder. Sie können sehen, was Gene tun können: Sie können Strukturen bilden, wie Haar oder Haut oder Bindegewebe, sie können Signale senden, sie können an der Regulierung beteiligt sein, sie können Dinge transportieren. Von den Transportproteinen ist Ihnen bestimmt das Hämoglobin bekannt, das Sauerstoff von den Lungen zur Zelle und CO2 zurück transportiert. Sie können Enzyme sein, und ich glaube, dass selbst Oberstufenschüler diese heutzutage untersuchen. Sie sind verantwortlich für die Prozesse der Aufspaltung und des Verbindens, sie sind die Arbeiter, die die Chemie erledigen, und sie können außerdem Rezeptoren sein, wie Augen, Ohren usw. Die Faltung der Proteine ist sorgfältig konzipiert, um die jeweilige Funktion der Proteine zu ermöglichen. Folglich kann nicht jedes Protein alles tun, sondern jedes einzelne Protein hat seine bestimmte Rolle. Diese Rolle wird durch die Faltung bestimmt, und die Faltung wird durch die Sequenz der Bausteine festgelegt. Die Bausteine der Proteine werden als Aminosäuren bezeichnet, von denen es 20 verschiedene Arten gibt. Lassen Sie uns nun wieder einen Blick in das Kinderbuch werfen. Tatsächlich kann ich dieses Kinderbuch sehr empfehlen. Es trägt den Titel Biokit, wurde in den 80er Jahren des letzten Jahrhunderts geschrieben und ist noch immer sehr zutreffend – mit Ausnahme der Aussagen über das Ribosom.(Lachen.) Es gibt 20 Arten von Aminosäuren, und alle haben dasselbe Rückgrat. Ich habe das hier einfach in verschiedenen Farben aufgezeichnet, aber es ist dieselbe Struktur. Sie besitzen Seitenketten, die Werkzeuge sein können. Wenn das Protein durch Polymerisierung – Polymerisierung bedeutet die Bildung der Proteine aus Aminosäuren – länger wird, hängen die Werkzeuge heraus und müssen korrekt gefaltet werden, damit sie ihre Arbeit tun können. Sie dürfen also nicht einfach nur lang sein, sondern sie müssen korrekt gefaltet sein. Ich möchte Ihnen ein oder zwei Möglichkeiten einer korrekten Faltung vorstellen, wie das Schlüssel-Schloss-Prinzip für ein Protein und sein Substrat. Hier muss zum Beispiel eine Übereinstimmung, eine vollständige und perfekte Übereinstimmung zwischen dem Schloss und dem Schlüssel vorliegen, damit der Schlüssel funktionieren kann, und das Gleiche gilt hier. Ein Protein ist eine Struktur, die Dinge werden sich hier im aktiven Bereich ereignen. Lassen Sie uns genauer hinschauen – hier ist der aktive Bereich eines Proteins. Sicherlich kennen Sie die Namen der Atome: Sauerstoff, Stickstoff, Kohlenstoff, plus Wasserstoff und Schwefel, das gelbe Atom, das Sie hier leider nicht sehen. Der aktive Bereich befindet sich genau hier. Sie sehen die Aushöhlung, hier laufen die Prozesse ab. Schauen Sie näher hin, dort passiert es. Hier ist nun ein Substrat, das hier zerlegt werden wird. Die Passung, die Übereinstimmung zwischen dem Substrat und dem Protein muss stimmen. Sonst wird nichts zerlegt oder hinzugefügt werden oder das geschehen, was immer das Protein tun muss. Wie ich sagte, bestimmt also die Sequenz des Proteins seine Faltung. Die Sequenz selbst wird von der Sequenz des Gens bestimmt, das sie codiert. Was nun tatsächlich passiert, ist Folgendes: Wir haben hier DNA, wie wir zuvor gesehen haben,die DNA wird in ein Molekül transkribiert, das als eine einzelne Kette, nicht als eine Doppelkette wie die DNA, leben und funktionieren kann. Dieses Molekül wird als RNA bezeichnet. In diesem speziellen Fall handelt es sich um mRNA (Messanger- RNA, Boten-RNA). Hinsichtlich der Basen ist die RNA der DNA sehr ähnlich, aber sie unterscheidet sich in der Hauptkette ein bisschen von ihr, und sie kann daher als einzelner Strang existieren und funktionieren. Sie wird durch das Ribosom in Proteine übersetzt. Hier haben wir, aus demselben Kinderbuch, das, was passiert: Hier ist ein Gen, es wird von einem Enzym bzw. eigentlich von einem Enzymkomplex, der als Öffner bezeichnet wird, geöffnet und, auf diesem Dia, von einem anderen, Kopierer genannten Komplex, kopiert. Nun haben wir die mRNA. Die Sequenz ihrer Basen wird von der Sequenz der DNA vorgeschrieben. Bei beiden kommt es auf korrekte Basenpaare an. Das Ribosom stellt nun die Fabrik dar, welche die Information und damit vom Gen die Bauanweisung erhält, und zwar über einen Boten in Form eines eingehenden „Lochstreifens“, der ausgelesen wird. Lastwagen bringen die Aminosäuren herbei. Diese Lastwagen werden als tRNA bezeichnet, und in jeder Zelle hat jede Aminosäure ihre eigene tRNA. Manchmal gibt es für eine Aminosäure mehr als eine tRNA. Sie sind hier in unterschiedlichen Farben dargestellt, damit man sie unterscheiden kann, aber sie unterscheiden sich tatsächlich hinsichtlich ihrer chemischen Zusammensetzung. Hier wird das Protein hergestellt, und hier kommt es als Kette heraus. Die Lastwagen können den Ort wieder verlassen, die RNA kann herausgehen und sich nach weiterer Arbeit umsehen. Auch die Bauanleitungen können herausgehen und weitere Ribosomen suchen. Der gesamte Prozess verbraucht zwei GTP-Moleküle. Das Ribosom ist also tatsächlich eine Fabrik und stellt die neuen Proteine her, indem es stückweise Aminosäuren hinzufügt. Schauen wir uns das in einer Minute einmal an. Jede Zelle enthält eine große Anzahl von Ribosomen. Bei hochaktiven Säugetierzellen, zum Beispiel in der Leber, können es bis zu sechs Millionen Ribosomen sein. Selbst bei Bakterien arbeiten ungefähr 80.000 bis 100.000 Ribosomen zusammen, wenn das Bakterium wächst. Die Ribosomen sind pausenlos in Aktion. Sie bilden 20 Bindungen, um die 20 Bindungen pro Sekunde. Unterlaufen ihnen dabei Fehler? Die Quote der Genauigkeit beträgt 99, 99999 % – das heißt ein Fehler in einer Million. Ich war eine gute Studentin. Ich studierte Chemie, und ich war eine gute Studentin, ich war sehr gut in anorganischer Chemie. Als Übungsaufgabe im zweiten Jahr musste ich eine Peptidbindung herstellen. Dafür benötigte ich einen Tag. Ich brauchte 100 Grad, ich brauchte einen Säuregehalt, der höher als der einer Zitrone war. Ich machte Fehler, und es wurde erwartet, dass ich Fehler machte. Das erzähle ich Ihnen nur deshalb, damit Sie zu würdigen wissen, wie erstaunlich das Ribosom ist. Unter den Bedingungen der Zelle, in der es sich befindet, stellt es 20 Bindungen pro Sekunde her. Schauen wir uns nun als erstes an, was das Ribosom zu tun hat. Hier kommt mRNA an, die wie DNA vier Basen besitzt. Ich habe sie hier in vier verschiedenen Farben dargestellt, damit man sie unterscheiden kann. Jeweils drei von ihnen, jedes Triplett, kodiert eine Aminosäure. Wo sind die Tripletts, soll ich hier beginnen, soll ich hier beginnen, soll ich hier beginnen, schauen Sie, soll ich hier beginnen, soll ich hier beginnen, soll ich hier beginnen, es wird ein ganz anderes Protein werden, wenn ich an einer anderen Stelle beginne. Oder wenn ich eine überspringe oder wenn ich nicht weiß, wo die erste Stelle ist. Das Ribosom kann also das richtige System und die richtige Position heraussuchen. Wenn die Tripletts definiert sind, muss dasjenige, das als erstes übersetzt werden soll, identifiziert werden, und dies geschieht am Ribosom, so wie hier. Wir können also sehen, dass es nun Tripletts gibt. Das erste Triplett ist bereits mit der tRNA verbunden worden – erinnern Sie sich an den Lastwagen – die sich mit ihm an einem seiner Enden, das als Anticodon-Schleife bezeichnet wird, verbindet. Sie kann Watson-Crick-Basenverbindungen mit dem Triplett aufbauen und transportiert die verwandte Aminosäure dorthin, also tatsächlich weit entfernt von der Anticodon-Schleife. Das alles passiert am Ribosom. Ich möchte Ihnen sehr gerne zeigen, wie wir dies visualisieren. Die ersten Strukturen kamen vor acht Jahren zum Vorschein. Dieser Film wurde von Kunststudenten und uns gemeinsam gemacht und stellt eine Interpolation unserer Ergebnisse und einiger anderer Ergebnissen dar. Der Bote kommt an der kleinen Untereinheit an, entdeckt sie – ich bitte um Verzeihung, lassen Sie uns für eine Minute zurückgehen. Das Ribosom hat zwei Untereinheiten, dies sagte ich noch nicht, Entschuldigung. Als erstes ist da die kleine Untereinheit, die auch den Vorgang einleitet. Sie ist der intelligente Teil des Ribosoms, die kleine Untereinheit, sie kann denken oder zumindest selektieren, den Rahmen und das erste Triplett aussuchen. Sie kann keine Fehler machen. Die große Untereinheit befindet sich dort, wo die Peptidbindung stattfindet. Jetzt können Sie sich den Film anschauen. Bitte achten Sie auf den Film. Zu Beginn, wenn der Bote das Ribosom erreicht, vollführt das Ribosom, die kleine Untereinheit, eine Bewegung, um ihn zu ergreifen. Wenn der Film nicht startet, werde ich Ihnen alles das erklären, was Sie hätten sehen können. Ah – jetzt können Sie es sehen. Das ist das, was normalerweise passiert, wenn ich sage, er startet nicht – dann startet er. Der Bote kommt also an, und die kleine Untereinheit ergreift ihn, wickelt sich jetzt um ihn herum, und der RNA-Faktor ist ein nicht-ribosomaler Faktor, wie zum Beispiel die Initiationsfaktoren, die mit dem Initiationskomplex verbunden sind, aber nun verlassen wir das. Die erste tRNA wird von einem anderen Faktor herbeigebracht. Nun gehen alle Faktoren. Die große Untereinheit kann kommen und baut Brücken durch Konformationsänderungen. Nun haben wir ein aktives Ribosom, das mit der Bildung der Peptidbindungen und der Proteinsynthese fortfahren kann. Das Ribosom hilft also den tRNAs beim Hereinkommen, sie werden von Faktoren herbeigebracht, sie können herauskommen, die Peptidbindung wird in der großen Untereinheit gebildet. Wir entfernen sie jetzt, damit Sie erkennen können, wie die Bewegung vonstatten geht. Die tRNA bewegt sich, der untere Teil rotiert und bewegt sich zusammen mit dem Boten, und das Protein tritt durch einen Tunnel in der großen Untereinheit aus. Nun sehen Sie wieder das gesamte Ribosom. Das Protein wird hier ankommen, es muss gefaltet werden, entweder durch sich selbst oder, in den meisten Fällen, durch Chaperon-Proteine oder durch die Membran, wenn es durch eine Membran hindurchtritt. Der ganze Prozess setzt sich fort, bis ein Stopp-Codon erkannt wird. Dann ersetzen Faktoren wie Recycling- oder Freigabefaktoren die tRNA. Die zwei Untereinheiten können sich voneinander lösen, die Proteine kommen heraus, die tRNAs können weiterziehen und nach neuer Arbeit Ausschau halten. In dem Film sahen Sie keine Strukturen. Hier können Sie erkennen, dass die kleine Untereinheit bei Bakterien eine molekulare Größe von ungefähr 0,85 Millionen Dalton hat. Sie besteht, wie das gesamte Ribosom, aus zahlreichen RNAs – die RNA ist hier silberfarben dargestellt – und vielen Proteinen, hier aus 20 Proteinen, von denen jedes in einer anderen Farbe dargestellt ist. Die Farben haben keine Bedeutung. Das also ist eine kleine Untereinheit. Sie sehen, dass sie einer Ente ähnelt, daher wird sie als Ente bezeichnet. Die große Untereinheit wird als Krone bezeichnet und sieht auch wie eine Krone aus. Die RNA ist wiederum silberfarben dargestellt. Viele Proteine – bei Bakterien 34 Proteine – bilden die Peptidbindung und stellen Elongation und Schutz sicher. Bei diesen handelt es sich um ribosomale Proteine, auf die ich nicht eingehen werde. Was Sie eigentlich in dem Film sahen, waren die kleine Untereinheit, die große Untereinheit und drei Positionen für die tRNA: A, P und E. A und P befinden sich über dem aktiven Bereich. Dies wird als Peptidyltransferase-Zentrum bezeichnet. A steht für Aminoacyl-tRNA, also für die tRNA, die mit der Aminosäure kommt. P steht für die Peptidyl-tRNA, wo das neue Protein wachsen wird, und E steht für die Exit-Position. Wenn man sich also die Oberflächen der kleinen Untereinheit, der Ente, und der Krone zusammen anschaut, stellt man fest, dass die Oberflächen reich an RNA sind und dass sich dort fast keine Proteine befinden. Hier werden die A-, die P- und die E-Position sein, und wenn Sie dort hinschauen, sehen Sie die sie kombinierende tRNA. Dieser Teil wird sich hier und dieser Teil wird sich dort treffen. Was Sie dort zusammentreffen sehen, bedeutet, dass dies hier getan wird, was meine Hände tun. Das Protein wird hier, wo sich der Stern befindet, aus den Aminosäuren gebildet. Was wir in den Strukturen feststellten, zeigt, dass es sich bei dem Ribosom nicht um ein Proteinenzym, sondern um ein RNA-Enzym handelt. Nahezu alle seine Funktionen werden durch RNA ausgeführt. Anfangs erzählte ich Ihnen vieles über die große Bedeutung der Proteine, doch die Proteine selbst werden von der RNA, der RNA-Maschine, erzeugt. Die meisten Ribosomen bestehen aus ribosomaler RNA und ribosomalem Protein im Verhältnis 2:1, mit Ausnahme der mitochondrialen Ribosome, die mehr Proteine enthalten. Aber auch hier bestehen die aktiven Zentren aus RNA. Dies ist in einem Code, den uns Francis Crick damals, 1968, versprochen hat. Die ribosomale Region, die die A- und P-Positionen-tRNA aufnimmt, findet sich in allen Ribosomen. Hier habe ich nicht die Zeit, um Ihnen all das zu erzählen, was heutzutage darüber bekannt ist. Ich zeige Ihnen fünf Strukturen, aber es gibt heute ungefähr 30. Alle verfügen über diese Region, die ein symmetrisches Verhältnis zwischen den A- und P-Positionen aufweist und wo sich die A- und P-tRNA verbinden. Wir sind der Ansicht, dass die Bewegung zwischen A und P so abläuft, wie wir hier sehen. A (blau) bewegt sich in P (grün) hinein. Es handelt sich hier um eine Momentaufnahme, eine Computer-Momentaufnahme der Bewegung, bei der das Ribosom in Rot dargestellt ist. Die blinkenden Teile sind jene, die bei der Bewegung helfen, die sie begrenzen und dafür sorgen, dass sie korrekt ausgeführt wird. Am Ende der Bewegung ist die räumliche Anordnung bereit für die Bildung der A-Protein-Bindung, der Peptidbindung. Das ist es, was unserer Meinung nach das Ribosom bereitstellt, den Rahmen dafür. Was in geometrischer Hinsicht für das Funktionieren dieses Rahmens und dieser Reaktion erforderlich ist, ist Folgendes: dass sich die tRNA an der A-Position genau an ihrem Platz befindet, damit sie rotieren kann, und dass sich die erste tRNA der P-Position in der richtigen Ausrichtung, nämlich umgedreht, auf ihre Position zubewegt. Stellen Sie sich nun vor, dass Sie selbst einen leeren Raum betreten. Beide Seiten sehen gleich aus – welche Seite werden Sie wählen, diese oder jene? Genau – Sie wissen es nicht. Die tRNA weiß es auch nicht, aber in der Zelle haben wir keine Zeit, um zu warten, bis die tRNA denkt: „Hier ist es besser, dort ist es besser, ich bleibe hier, ich bleibe dort.“ Deshalb trifft das Ribosom entsprechende Vorkehrungen und stellt auf der P-Position zwei potenzielle Basenpaare und auf der A-Position nur ein Basenpaar bereit. Folglich wird die erste tRNA die beiden Paare nehmen, natürlich die 100 % mehr. Und somit kann die Reaktion beginnen. Man hat auch herausgefunden, dass die tRNA, wenn diese zwei Basenpaare und dieses eine Basenpaar gebildet werden, selbst der Katalysator für diese Reaktion sein kann. Sie kann also der Katalysator ihrer eigenen Reaktion sein, was eine sehr alte Möglichkeit der Katalyse ist. Das also ist es, was wir bis heute untersucht haben. Ich möchte Ihnen diese Region zeigen, über die ich sprach. Sie tut alles. Sie ist mit den beiden Händen, die sich bewegen, wenn tRNA hinein- und herauskommt, und auch mit dem Tunnel verbunden, wo die Peptidbindung gebildet wird. Hier können Sie das Ganze etwas detaillierter betrachten. An diese Stelle würde die tRNA kommen – Sie erinnern sich an den Film, diese Enden bewegten sich. Wir glauben also, dass sie Botschaften übermitteln kann. Sie können sie hier sehen, wie schön sie ist, innerhalb des Ribosoms, in der großen Untereinheit, aber mit der kleinen Untereinheit verbunden. Von oben haben Sie sie vorhin gesehen, von der Seite betrachtet, sieht sie wie eine Tasche aus. Dies vermittelte uns den Eindruck, dass sich darin – jetzt können Sie es größer sehen – etwas befindet. Wir sahen uns die Konservierung an und stellten fest, dass diese Region in allen bekannten Sequenzen von Ribosomen zu 98 % konserviert ist, von den Bakterien bis zu den Elefanten, überall. Wir hatten außerdem den Gedanken, dass die hohe Konservierung dieser symmetrischen Region auf eine Existenz unabhängig von Umweltbedingungen hinwies. Dies legt nahe, dass das Proto-Ribosom, das ein einfaches Dimer-RNA-Enzym war, immer noch im Kern dieses gegenwärtigen Ribosoms, wie hier, eingebettet ist. Daher denken wir, dass wir herausgefunden haben, wie die ersten Peptidbindungen und folglich die ersten Proteine gebildet wurden. Wir bezeichnen diese Region als Proto-Ribosom und versuchen nun, sie zu konstruieren. Unsere Hypothese besagt, dass es zwei oder mehr RNA-Stücke gab, die dimerisieren konnten und diese Art von Tasche bildeten, die Chemie betreiben kann. Wir stellten zu unserer Überraschung fest, dass es eine bevorzugte Selektion jener, die gerne dimerisieren, und jener, die dies nicht tun, gibt. Das bedeutet, dass wir hier Darwin vor dem Darwinismus sehen, wir sehen, dass Selektion, die normalerweise bei Tieren oder bei Zellen zum Tragen kommt, auf Moleküle einwirkt. Vergessen wir das jetzt. Wir denken, dass dies die Tasche war, sie öffnete sich und wuchs und so weiter und so fort. Diese Überlegung stimmt mit verschiedenen unabhängig voneinander durchgeführten Untersuchungen überein, die nachweisen, dass, wenn man sich anschaut, wie das Ribosom aufgebaut ist, klar ist, dass es aus einem Zentrum gebildet wurde, das dem symmetrischen Zentrum entspricht. Dies stammt von Steinbergs Gruppe aus Montreal. Auch wenn man es auseinander wickelt, zeigt sich wieder, dass das Zentrum der wichtigste Bestandteil ist. Dies ließ uns daran denken, Überlegungen darüber anzustellen, welches die erste Aminosäure war oder um Lysin oder Arginin oder Histidin, weil Histidin aus Überresten von RNA-Stücken gebildet werden kann. Die wichtigste Frage ist, was zuerst da war: der genetische Code oder seine Produkte? Nach unserer Vorstellung zeigten die Produkte, wie der genetische Code funktioniert, denn als neue Peptide gebildet wurden, gaben die bereits existierenden Peptide Hinweise darauf, wie die neuen herzustellen seien. Die Frage, die eher eine typisch menschliche Frage ist, lautet: Warum sollte die RNA Enzyme herstellen sollte, die besser sind als sie. Anfangs waren alle Enzyme RNA-Enzyme, und diese waren nicht so erfolgreich wie Proteine. Warum sollte sie einen Konkurrenten erschaffen, der besser war als sie? Wir glauben nicht, dass es auf diese Art und Weise passiert ist. Wir nehmen an, dass es nicht einfach einen Mechanismus gab, der von der Aminosäure übernommen wurde. Ich möchte Ihnen zeigen, dass das Ribosom das neugeborene Protein in diesem Tunnel beschützt. Am Ende des Tunnels befindet sich ein Chaperon-Protein, das dem neuen Protein bei der Faltung hilft. Bei neuen Bakterien wird das Chaperon-Protein als Trigger-Faktor bezeichnet. Dieser Faktor besteht aus drei Regionen. Die rote ist diejenige, die bindet, und wenn sie bindet, öffnet sie sich. Und wenn sich der Trigger-Faktor öffnet, legt er die hydrophobe Region bloß, die dem neugeborenen Protein dabei helfen kann, Fehler bei der Faltung zu vermeiden. Wenn das Protein herauskommt, ist es immer noch nicht vollständig, immer noch nicht gefaltet und braucht einen Helfer. Der Helfer hier ist der Trigger-Faktor, der für eine Umgebung sorgt, in der das neugeborene Protein sich wohlfühlen kann. Schauen Sie zum Beispiel hier auf das Ende des Tunnels, hier ist ein Trigger-Faktor in einer goldfarben dargestellten Bindung. Wenn ein Protein, ein neugeborenes Protein, herauskommt, wird es von dem Trigger-Faktor beschützt, damit es nicht zu viele Fehlfaltungen macht. Von dieser Seite aus können Sie dies sogar noch schöner sehen. Hier kommt das Protein heraus, und der Trigger-Faktor hilft ihm. In der sehr kurzen Zeit, die wir noch haben, möchte ich über Antibiotika sprechen, denn diese sind die Folge unserer Arbeit. Die zentrale Rolle, die das Ribosom spielt, bedeutet, dass es zielgerichtet von Antibiotika angegriffen wird. Natürliche Antibiotika sind die Munition, die von den Bakterien der einen Art produziert wird, um Bakterien einer anderen Art bei ihren Kämpfen, ihren Kämpfen auf der Ebene der Mikroorganismen, zu eliminieren. Ungefähr 40 % der wirkungsvollen Antibiotika greifen das Ribosom an. Wir vergleichen dies gerne mit David und Goliath. David hatte den kleinen Stein zur Verfügung und musste den großen Goliath töten. Der kleine Stein ist das Antibiotikum, weniger als 1000 Dalton, ungefähr 800 Dalton, und muss zweieinhalb Millionen Dalton paralysieren. David traf Goliath hier am Kopf, da dieser ungeschützt und wichtig war. Der Kopf ist nicht der einzige ungeschützte Körperteil, aber der in funktionaler Hinsicht lebenswichtigste. Antibiotika verhalten sich ebenso. Sie treffen das Ribosom an den wichtigen Stellen. Hier sind drei von ihnen, eins im aktiven Bereich, ein zweites dort, wo die Bindung entsteht, und ein drittes, Erythromycin, im Tunnel. Werfen Sie einen Blick darauf – das ist der Tunnel, dies sind die große ribosomale Untereinheit und zwei tRNAs. Der Tunnel wird durch das Polyalanin gezeigt und geht hindurch. Hier haben wir eine Zoom-Aufnahme in den Tunnel. Sehen Sie genau hin: Hier gibt es eine sehr schmale Region, wo sich Antibiotika der Makrolid-Familie, der größten Familie, eine Bindung eingehen. Ungefähr so: Hier ist die tRNA, das Protein würde hierhin gehen, die Peptidbindung würde hier erfolgen. Befindet sich jedoch Erythromycin aus der Makrolid-Familie in diesem Bereich, wird es dies stoppen. Was Sie hier sehen, ist ein Schnitt durch das Ribosom, bei dem die große Untereinheit hier beige dargestellt ist. Außerdem sehen Sie die anderen Teile, die ich bereits gezeigt und von denen ich gesprochen hatte. Von oben können Sie es so sehen, das gesamte Ribosom, Sie schauen in den Tunnel hinein, und er wird nun durch das Erythromycin blockiert. Alle Antibiotika binden sich an die funktionalen Bereiche des Ribosoms. Ich sagte dies soeben. Dies ist die Art und Weise, auf die sie wirken und auf die sie die pathogenen Bakterien töten. Jedoch sind die funktionalen Bereiche des Ribosoms in hohem Maße konserviert. Wie unterscheiden also die Antibiotika zwischen Pathogen und Patient? Sie tun dies anhand feiner Unterschiede. Sie möchten einen feinen Unterschied sehen? Hier ist die Tunnelwand, mit vielen, vielen Antibiotika. Alle Strukturen wurden von uns in einem Komplex mit dem Ribosom bestimmt. Alle binden an eine Position, die Nummer 2058 in der RNA-Sequenz. Sie sehen hier also den Tunnel, und das ist das spezielle Nucleotid, das in der Tunnelwand für die Bindung von Makroliden sehr wichtig ist. Bei neu gebildeten Bakterien ist es ein Adenin. Aber bei uns ist es kein Adenin. Schauen Sie hierhin – Adenin und Erythromycin, das ist die Art von Interaktionen, ziemlich nette Interaktionen. Konzentrieren Sie sich bitte hierauf – das ist jetzt Guanin. Das also ist ein Pathogen, und das sind wir. Eubakterien im Menschen, das ist der einzige Unterschied. Aber das schreibt bereits einen zu kurzen Kontakt vor, und das Erythromycin wird abgewiesen. Das ist also die Art und Weise, auf die sie binden. Wir wissen jedoch, dass Antibiotika Resistenzen besitzen. Ein sehr wichtiger Resistenz-Mechanismus besteht in einer Modifizierung des Befestigungsteils, des Ankers. Was heißt das? Sie erinnern sich, vorhin sprachen wir über die Position 2058, Adenin und Erythromycin hier. Dies wird größer, entweder durch Mutation oder durch ERM-Modifizierung, wie ich Ihnen zeigen möchte. Hier haben wir antibiotische Selektivität: A bei Eubakterien, G bei Eukaryoten. Alles, was ich zu tun hatte, war, das Wort hier von „Selektivität“ zu „Resistenz“ zu ändern. Genau der gleiche Ort. Die Bakterien durchlaufen also entweder eine Mutation (von A zu G) oder eine post-translationale ERM-Modifizierung, bei der Methylierung dies hier vergrößert. Auf diese Art und Weise können demnach intelligente Bakterien den Antibiotika Widerstand leisten. Um Resistenzen zu bekämpfen, kann man entweder neue Präparate mit zusätzlichen Ankern herstellen oder den Bedarf an den ursprünglichen Ankern minimieren oder Medikamente aus zwei Komponenten herstellen. Als erstes möchte ich Ihnen zeigen, wie Firmen versuchen, Präparate herzustellen, die ohne eine 2058-Position binden können. Ich hatte wirklich Angst, denn ich dachte, dass diese Antibiotika, wenn sie sich an resistente Bakterien anheften können, sich auch an den Patienten anheften werden. Ich irrte mich, und ich möchte Ihnen zeigen, woher wir wissen, dass ich mich im Irrtum befand. Dafür wollen wir über Bakterien sprechen, über Menschen, und in der Mitte befinden sich die Archaeen. Im Toten Meer in Israel existiert ein Bakterium, das ein Archaeon ist. Sie können das Tote Meer von oben sehen, von der Seite, es ist sehr salzig, und sie sehen, dass die Bakterien selbst im Salz weiterleben. Sie wachsen sogar im Sommer, nachdem der Wasserstand gefallen ist. Dieses Bakterium wurde von uns kristallisiert und seine Struktur in Yale bestimmt. Dieselben Antibiotika, die sich an resistente Bakterien binden, binden sich auch an dieses Bakterium. Es hat ein G anstelle eines A. Ich war sehr glücklich, dass ich mit meiner Voraussage falsch lag. Wenn wir uns das Modell des Patienten anschauen, das in Yale erstellt wurde, und die Pathogene, mit denen wir uns dort nebenan beschäftigten, sehen wir, dass das Antibiotikum bei den Pathogenen durch den Tunnel und bei dem menschlichen Modell entlang des Tunnels bindet. Das zeigt, dass es nicht ausreicht, dass eine Bindung stattfindet, sondern es muss eine korrekte Bindung erfolgen. Für diejenigen hier, die in der Medikamentenentwicklung arbeiten möchten. Die zweite Möglichkeit besteht darin, Antibiotika aus zwei Komponenten herzustellen. Hier sind sie wieder – die Tunnelwand, eine Komponente, die zweite Komponente, jede Komponente für sich reicht nicht aus, zusammen sind sie jedoch ein Gewinnerpaar. Es sorgte für ein breites Lächeln auf meinem Gesicht, als das erste Medikament dieser Art unter dem Namen Synercid auf den Markt kam. Heute stellen wir ein eigenes Medikament dieser Art her. Alle Antibiotika binden an funktional bedeutenden Positionen, wie ich Ihnen zeigte, hier im aktiven Bereich und im Tunnel. Sie binden auch dort, wohin sich die mRNA bewegt. Noch einige wenige Worte dazu, wie wir unsere Untersuchungen vornahmen, denn ich denke, dies ist hilfreich für junge Menschen. Die Kristallografie ist wichtig, um sehr kleine Unterschiede zwischen den Atomen erkennen zu können. Kristalle sind aus Elementarzellen aufgebaut, die gleich sein müssen. Kristallografen kristallisieren sie und erheben Daten, indem sie Röntgenstrahlen einsetzen, da es keine Linsen gibt, mit deren Hilfe man solch kleine Entfernungen betrachten kann, wie wir sie benötigen, die Positionen von Atomen. Letztendlich brauchen wir viele, viele Punkte, die wir miteinander kombinieren müssen, um eine Karte der Elektronendichte zu erstellen, die wir dann interpretieren können – oder auch nicht. Salz zu kristallisieren, stellt kein Problem dar, ein Lysozym zu kristallisieren, stellt kein Problem dar, aber ein Ribosom zu kristallisieren, das so komplex, so instabil, so schnell verfallend und so dynamisch, so heterogen ist Aber ich schrieb an einem Artikel über Bären im Winterschlaf, deren Ribosomen, während sie schlafen, auf der Innenseite ihrer Zellen, auf der Innenseite ihrer Membranen gebündelt werden, und ich nahm an, dass Ribosomen ordentlich verstaut werden können. Ich ging davon aus, dass auf diese Art und Weise die Natur aktive Ribosomen den gesamten Winter über bewahrt und beschützt, und ich verwendete dafür, wie bereits gesagt, besonders robuste Ribosomen. Am Ende bekamen wir Kristalle. Ich möchte nicht auf sämtliche Details eingehen, aber das war der Anfang. Ich werde nicht so viel über die Struktur erzählen, sondern nur darüber, was mit diesen Kristallen geschah, als wir an ihnen Messungen in Synchrotronen vornahmen. Synchrotrone basieren auf der Beschleunigung von Teilchen und den Tangentialen, die wir messen. Ribosomale Kristalle zerfielen innerhalb eines Zehntels einer Sekunde. Können Sie sich vorstellen, acht Jahre damit zu verbringen, gute Kristalle zu bekommen und diese dann innerhalb eines Zehntels einer Sekunde zu verlieren? Wir dachten, wir könnten etwas dagegen tun, und ich kann später erklären, auf welche Art und Weise. Das ist am Tag des Experiments – schauen Sie nur, wie besorgt ich aussah. Innerhalb einer Nacht stellten wir fest, dass wir mit Hilfe der Kristallografie Kristalle am Zerfall hindern konnten. Wir erhielten unsere Muster, und die ganze Welt bekam Muster. Heutzutage gibt es, im Vergleich zu dem, was davor da war, so viele Strukturen. Zur selben Zeit geschahen noch andere Dinge, so dass ich 20 Jahre später immer noch glücklich bin. Und das ist die Maschine – sie ist wichtiger als ich. Danken möchte ich dem Weizmann-Institut für Wissenschaften, das zu mir hielt, und dem Max Planck-Institut, dem NIH (National Institute of Health) und dem Weizmann-Kimmelman-Zentrum, die finanzierten, was ich meinen Traum nannte, der auf Bären basierte. Ich danke meinen Forschungsgruppen am Weizmann-Institut und am Max Planck-Institut für ihren Enthusiasmus in guten wie in schlechten Zeiten. Ich danke Dr. Wittmann, bei dem wir anfingen. Ich möchte Ihnen die deutsche Forschungsgruppe zeigen, die Hamburger Gruppe, die selbst am Toten Meer nach Bakterien suchte, und die israelische Gruppe, die von Annette Bashan geleitet wird, wenn ich hier bin. Und ich danke Tamara, die vor zwölf Jahren für zehn Wochen zu uns kam und noch immer bei uns ist. Sie hatte Geburtstag, sie bekam einen Kuchen, das ist ihr Kuchen, und das zeigt, dass die Ribosomen in meiner Gruppe süß sind. Und ich danke meiner Familie, insbesondere meiner Enkelin. Warum ich das sage? Ich sage es wegen der jungen Frauen, die hier sitzen. Man kann eine Wissenschaftlerin und ein geliebtes Familienmitglied sein – schauen Sie, was sie hier schrieb. ich fragte sie, warum kein Jahr angegeben ist, und sie sagte, jedes Jahr musst du dich neu beweisen. (Lachen.) Sie lieben mich, aber sie sind auch sehr fordernd. Bitte, meine jungen Damen, gehen Sie in die Wissenschaft – es macht Spaß, auch ohne Auszeichnungen. Und das ist das, was mir passiert ist. Ich danke Ihnen vielmals für einen sehr stimulierenden Vortrag und einen, wie ich denke, sehr guten Rat am Ende. (Applaus.)

Ada E. Yonath (2010)

The Amazing Ribosome

Ada E. Yonath (2010)

The Amazing Ribosome

Abstract

Ribosomes are the universal cellular machines that act as polymerases that translate the genetic code into proteins. They posses spectacular architecture accompanied by inherent mobility that facilitate their smooth performance in decoding, peptide bond formation and nascent protein elongation. These huge particles are composed of proteins and RNA, among which the RNA moieties perform both tasks: decoding and peptide bond formation. The site for peptide bond formation (PTC) is located within a universal symmetrical region, an outstanding feature within the otherwise asymmetric ribosome, which seems to be the remnant of a prebiotic RNA machine. Owing to its stunning design, the symmetrical region is capable of positioning both the amino acylated- and Peptidyl-tRNA substrates in stereochemistry required for peptide bond formation, for substrate-mediated catalysis, and for tRNA translocation, thus enabling the repetition of peptide bond formation. In the contemporary ribosomes this region connects all of the remote ribosomal features involved in its functions, hence may transmit signal between them. The elongated tunnel along which nascent chains progress until they emerge out of the ribosome is situated adjacent to the PTC. This tunnel provides hosts a major family of antibiotics and may be involved in chaperoning and provides the binding site of the first cellular chaperone that encounters the emerging nascent chain.

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