Atomistic simulations of the Escherichia coli ribosome provide selection criteria for translationally active substrates.
Atomistic simulations of the Escherichia coli ribosome provide selection criteria for translationally active substrates.
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DOI：
10.1038/s41557-023-01226-w
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发表时间：
2023-07
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影响因子：
21.8
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中科院分区：
文献类型：
--
作者：
随着遗传密码的扩展从L-α-氨基酸到骨架修饰和新的聚合化学，描述核糖体可以容纳什么底物仍然是一个挑战。大肠杆菌核糖体在体外耐受非L-α-氨基酸，但很少有结构见解来解释如何获得，以及有效键形成的边界条件迄今尚不清楚。在这里，我们确定了含有α-氨基酸单体的大肠杆菌核糖体的高分辨率低温电子显微镜结构，并使用元动力学模拟来定义能量表面最小值和了解掺入效率。不同结构类别的反应性单体倾向于一个构象空间，在该空间中，氨酰基-tRNA亲核试剂是-lt；4从肽基-tRNA羰基生成的，Bürgi-Dunitz角为76-115°。自由能极小值落在构象空间之外的单体反应效率不高。这一洞见应该会加速体内和体外核糖体合成序列定义的非肽异寡聚体。加入非α-氨基酸单体的遗传密码扩展受到核糖体背景下单体反应的可预测性的限制。现在，对核糖体肽转移酶中心攻击前单体的元动力学模拟的使用，提供了关于A位单体是否可能具有反应性的见解。
As genetic code expansion advances beyond l-α-amino acids to backbone modifications and new polymerization chemistries, delineating what substrates the ribosome can accommodate remains a challenge. The Escherichia coli ribosome tolerates non-l-α-amino acids in vitro, but few structural insights that explain how are available, and the boundary conditions for efficient bond formation are so far unknown. Here we determine a high-resolution cryogenic electron microscopy structure of the E. coli ribosome containing α-amino acid monomers and use metadynamics simulations to define energy surface minima and understand incorporation efficiencies. Reactive monomers across diverse structural classes favour a conformational space where the aminoacyl-tRNA nucleophile is <4 Å from the peptidyl-tRNA carbonyl with a Bürgi–Dunitz angle of 76–115°. Monomers with free energy minima that fall outside this conformational space do not react efficiently. This insight should accelerate the in vivo and in vitro ribosomal synthesis of sequence-defined, non-peptide heterooligomers. Genetic code expansion to incorporate non-α-amino acid monomers is limited by predictability of monomer reactivities in the context of the ribosome. Now the use of metadynamics simulations of pre-attack monomers in the ribosomal peptidyl transferase centre provides insight on whether an A-site monomer is likely to be reactive.
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