Биологи из Великобритании, России и США воспроизвели in vitro сверхплотную упаковку ДНК в головке вируса-бактериофага, паразитирующего на экстремофильной бактерии из горячих источников Камчатки. При помощи криоэлектронной микроскопии ученые определили необычную структуру белковой капсулы, содержащей ДНК вируса, и объяснили, каким образом такая структура позволяет очень плотно упаковать большой геном вируса в капсид с высокой скоростью. Открытие, которое может послужить для усовершенствования технологий секвенирования ДНК, опубликовано в Proceedings of the National Academy of Sciences.

Бактериофаги — вирусы, поражающие бактерий, — состоят из хвоста и головки, куда упакован вирусный геном, представляющий собой двухцепочечную ДНК. Молекула ДНК упакована очень плотно и при инфекции «выстреливается» из белковой оболочки внутрь клетки. После стадии репликации ДНК нужно упаковать обратно в белковые капсулы- предшественники вирусных частиц, называемые капсидами. Этот процесс происходит внутри клетки с затратой энергии, однако его можно воспроизвести и in vitro, если смешать в пробирке пустые капсиды, ДНК, фермент, осуществляющий упаковку и источник энергии в виде молекул АТФ. Изучение процесса упаковки может потенциально послужить для разработки некоторых биотехнологических приложений, например, для эффективной доставки генов внутрь клеток или секвенирования ДНК.

В новой работе исследователи изучили структуру капсида бактериофага P23–45, который паразитирует на термофильной бактерии Thermus thermophilus. Эти бактерии живут в горячих источниках Камчатки при температуре около 70 градусов Цельсия. Это означает, что белковая оболочка бактериофага должна обладать повышенной стабильностью. Кроме того, P23–45 интересен тем, что его геном в два раза больше, чем геномы родственных вирусов с похожим принципом строения капсида.

Микрофотография вирусных частиц фага P23–45 (слева) и их трехмерная модель (в центре). Oliver W. Bayfield et al / PNAS 2019

Чтобы выяснить особенности строения капсида, позволяющие упаковать такой большой геном, ученые определили структуру оболочки с высоким разрешением при помощи криоэлектронной микроскопии. Оказалось, что капсид фага P23–45 отличается необычной белковой решеткой, которая позволяет увеличить размер частицы без увеличения количества типов субъединиц, необходимых для ее сборки, и соответственно увеличить емкость. Кроме того, авторы работы проанализировали структуру белка-«привратника», который находится у входа в капсид и помогает упаковать ДНК. Стоит отметить, что плотность упаковки ДНК внутри капсида приближается к плотности кристалла вещества.

«Эта структура может помочь усовершенствовать технологии прочтения ДНК, основанные на протягивании единичной молекулы через пору в мембране», — поясняет один из руководителей проекта, профессор Института микробиологии Ратгертса (США) и Сколковского института наук и технологий Константин Северинов.

Кроме того, детальное представление об устройстве вирусного упаковочного аппарата может пригодиться для разработки технологий доставки молекул как ДНК, так и других веществ, внутрь клетки.

Автор: Дарья Спасская