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.

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.

Криоэлектронная микроскопия все чаще приходит на смену
более традиционным методам определения структуры молекул, таким как
рентгеноструктурный анализ. За разработку этого принципа микроскопии в 2017
была вручена Нобелевская премия по химии, почитать об этом можно в нашем
материале «Тени во льду».

Дарья Спасская