核糖開(kāi)關(guān)位于信使核糖核酸(mRNA)上，其將遺傳信息傳遞到蛋白質(zhì)生物合成的位置。核糖開(kāi)關(guān)由測(cè)量小代謝分子濃度的傳感器和控制基因表達(dá)的效應(yīng)物組成，因此合成蛋白質(zhì)。由于核糖開(kāi)關(guān)存在于許多細(xì)菌病原體中，它們代表了新抗生素開(kāi)發(fā)的重要目標(biāo)。其他應(yīng)用在合成生物學(xué)中是可能的。例如，可以用核糖開(kāi)關(guān)對(duì)細(xì)菌進(jìn)行遺傳修飾，以檢測(cè)和分解低分子環(huán)境毒素，例如除草劑。然而，需要基本了解核糖開(kāi)關(guān)功能的基本過(guò)程。這項(xiàng)工作在自然化學(xué)生物學(xué) 在這方面是一項(xiàng)重要貢獻(xiàn)。

在由海德堡卡爾斯魯厄研究伙伴關(guān)系(HeiKA)資助的項(xiàng)目中，應(yīng)用物理研究所(APH)的Gerd Ulrich Nienhaus教授，納米技術(shù)研究所(INT)以及KIT的毒理學(xué)和遺傳學(xué)研究所(ITG)與海德堡大學(xué)藥學(xué)與分子生物技術(shù)研究所(IPMB)的AndresJäschke教授合作。工作重點(diǎn)是S-腺苷-L-蛋氨酸(SAM)-I核糖開(kāi)關(guān)。“將SAM分子連接到這個(gè)核糖開(kāi)關(guān)上會(huì)導(dǎo)致構(gòu)象，即原子的空間排列，從反終止子(AT)變?yōu)榻K止子(T)結(jié)構(gòu)，”Nienhaus解釋說(shuō)。“結(jié)果，基因表達(dá)被關(guān)閉了。”

首先，海德堡的科學(xué)家合成了SAM-I核糖開(kāi)關(guān)，并在不同的點(diǎn)上用兩種不同的熒光染料特別標(biāo)記它們。然后，KIT的研究人員使用高靈敏度的光學(xué)顯微鏡測(cè)量這些RNA分子的高空間和時(shí)間分辨率，測(cè)量單個(gè)染料分子的熒光發(fā)射。通過(guò)Förster共振能量轉(zhuǎn)移(FRET)實(shí)驗(yàn)，直接確定構(gòu)象動(dòng)力學(xué)。為此目的，激光輻射用于使綠色染料發(fā)光。如果紅色染料位于附近，它可以接收綠色染料的激發(fā)能量并自身發(fā)光。能量轉(zhuǎn)移的可能性很大程度上取決于染料彼此之間的距離?？梢酝ㄟ^(guò)紅色染料的發(fā)射直接觀察到染料特異性附著的分子的結(jié)構(gòu)變化。由于光發(fā)射非常弱，需要基于隱馬爾可夫模型的復(fù)雜數(shù)據(jù)分析方法。柏林自由大學(xué)化學(xué)與生物化學(xué)研究所的Bettina Keller教授開(kāi)發(fā)了特別針對(duì)此類(lèi)實(shí)驗(yàn)的方法，以區(qū)分時(shí)間相關(guān)的發(fā)光信號(hào)和噪聲。

在他們的分析中，研究人員不僅成功地區(qū)分了SAM-I核糖開(kāi)關(guān)的兩種構(gòu)象(T和AT)，而且總共有四種構(gòu)象(T1，T2，AT1和AT2)。令人驚訝的是，在存在和不存在SAM的情況下，核糖開(kāi)關(guān)沒(méi)有完全在SAM和AT結(jié)構(gòu)之間切換，如所預(yù)期的那樣，但是在所有狀態(tài)之間永久地波動(dòng)，只是權(quán)重被移位。對(duì)于生物功能而言重要的結(jié)果是用附著的SAM觀察到的結(jié)構(gòu)波動(dòng)比沒(méi)有SAM的結(jié)構(gòu)波動(dòng)快得多。由于信使RNA上的核糖開(kāi)關(guān)序列直接位于待控制基因的前面，因此RNA分子必須在SAM存在下盡快形成T結(jié)構(gòu)(關(guān)閉)以防止隨后要控制的基因的轉(zhuǎn)錄。因此，通過(guò)SAM附著加速結(jié)構(gòu)波動(dòng)，確保了足夠快速地形成T結(jié)構(gòu)。“因此，SAM-I核糖開(kāi)關(guān)的動(dòng)力學(xué)對(duì)其功能起著重要作用，”Nienhaus總結(jié)道。“這些對(duì)生物分子功能的詳細(xì)見(jiàn)解是物理學(xué)，生物技術(shù)和理論化學(xué)的跨學(xué)科方法的結(jié)果。”