Устройство и механизм работы мощного мотора, который вирусы используют для самосборки, расшифрованы. Теперь осталось понять, применить ли открытие для борьбы с вирусами или их размножения.
Вирус – самая простая форма жизни, которая к тому же не может существовать самостоятельно. Вирусная частица состоит из белковой оболочки – капсида, в которую заключен генетический материал в виде ДНК (у других – РНК). Вирусы могут размножаться только внутри клетки. Когда вирус инфицирует клетку, он впрыскивает внутрь нее свой геном и многократно его копирует. Перед тем как выйти из клетки, ДНК должна снова одеться в белок. Такая самосборка вирусной частицы требует работы специального и очень мощного молекулярного мотора.
Сиянг Сан (Siyang Sun), постдок в лаборатории Майкла Россманна (Michael Rossmann) в университете Пердью, и его коллеги изучили работу вирусного мотора на примере бактериофага Т 4. Бактериофаги – это вирусы, которые заражают бактериальную клетку. Их называют «хвостатыми вирусами» за характерное строение: они состоят из головки, хвоста в виде полого стержня и хвостовых нитей, которыми прикрепляются к клетке. Т 4 – один из самых известных бактериофагов, открытый еще в 40-х годах, он паразитирует на кишечной палочке (escherichia coli).
Лучший в мире упаковщик ДНК
Заложить геном вируса в капсид необходимо для того, чтобы защитить ДНК от повреждений и дать возможность вирусным частицам атаковать следующую клетку. При самосборке Т 4 ему надо очень плотно упаковать молекулу ДНК (а это в его случае около 171 тыс. пар оснований) до плотности, близкой к плотности кристаллической решетки. Задача ведь в том, чтобы ДНК влезла в головку вируса размером 120 х 86 нанометров.
Сама молекула, естественно, в белковую оболочку не полезет -- для проталкивания необходим мощный мотор. Ученые утверждают, что его удельная мощность вдвое больше, чем автомобильного двигателя внутреннего сгорания. Другое сравнение: этот мотор производит в 20 раз большую силу, чем белок миозин, обеспечивающий мышечное сокращение.
«Этот мотор работает подобно поршню в двигателе автомобиля, постепенно проталкивая молекулу ДНК в головку вируса», -- объясняет Майкл Россманн, профессор биологических наук университета Пердью.
Чтобы разобраться в его моторе, исследователи из Американского католического университета изучили биохимию всех белков бактериофага, а в университете Пердью провели их структурный анализ. Для анализа ученые использовали два метода. Рентгеновская кристаллография позволила распознать атомную структуру объектов, а криоэлектронная микроскопия – увидеть дизайн устройства.
Движок на дисках
Исследователи определили, что упаковочный вирусный мотор размещается в месте сочленения головки с хвостом. Он состоит из двух структур дисковидной формы. Оба диска включают пять сегментов. Диски расположены один над другим, и все пять сегментов одного и другого соединены между собой молекулами белка gp 17. Белок состоит из двух частей – доменов: один включен в верхний диск, а другой – в нижний.
Мотор работает так. Нижний диск прикрепляется к молекуле ДНК, а верхний – к головке вируса. Верхний и нижний диск несут противоположные заряды, и за счет действия электростатических сил нижний диск притягивается к верхнему, таща за собой молекулу ДНК. Фаза напряжения чередуется с фазой расслабления. Ученые сравнивают это с тем, как работают мышцы рук при подтягивании на канате. Так в результате двухфазного действия молекулярного мотора ДНК затаскивается в головку вируса и плотно там упаковывается.
После того как ДНК упакована в головку, мотор отпадает за ненадобностью, а к головке вируса прикрепляется хвост.
Где пригодится вирусный мотор
Аналогичный молекулярный мотор для упаковки ДНК в капсид работает и у других вирусов, например герпеса человека, говорят исследователи. Они считают, что изучение деталей его работы может дать толчок к открытию новых противовирусных препаратов. Тех, что нарушают работу этого мотора и лишают вирус возможности инфицировать клетку.
Другая идея состоит в том, чтобы, наоборот, позаимствовать вирусный механизм упаковки в создании искусственных наночастиц для доставки в клетки лекарственных генов при генотерапии. А если «приручить» бактериофаги, то их вообще можно применять для борьбы с бактериями как альтернативу антибиотикам.
Кроме того, авторы полагают, что такое техническое решение может вдохновить нанотехнологов на дизайн новых наномашин.
Ученые опубликовали результаты в журнале Cell.
