Самосинтезирующаяся рибосома

Рибосома — белковая фабрика клетки — единственная природная машина, производящая собственные компоненты. Понимание того, как собирается сама эта машина, может открыть путь к познанию развития жизни и созданию новых методов производства лекарств. Многолетние интенсивные исследования в Институте Вейцмана продемонстрировали самосинтез и сборку малой субъединицы рибосомы (30S) на поверхности чипа.

Проф. Рой Бар-Зив и старший научный сотрудник д-р Ширли Шульман Даубе из отдела химической и биологической физики работали над этим проектом около семи лет. Одна из главных сложностей — огромное количество различных молекул, необходимых для создания субъединицы: её основу составляет длинная цепь РНК, к которой должны присоединиться 20 различных белков. Их организация зависит от слабых химических взаимодействий между молекулами белков и РНК — отталкивания в одних точках и притяжения в других. Вся структура, таким образом, зависит от правильного производства и организации каждого компонента. Добавьте к этому ещё шесть белков, которые не входят в структуру, но действуют как шапероны, помогая в сборке. Итого получается не менее 27 различных генов — по одному для кодирования каждого компонента или шаперона, — которые должны работать согласованно.

Вместе с постдоком д-ром Майклом Леви, руководившим текущим исследованием, и аспирантом Реувеном Фальковичем команда создавала субъединицы на специальных чипах, разработанных в лаборатории Бар-Зива. В конечном итоге им удалось воспроизвести естественный процесс синтеза частей и их сборки в субъединицы рибосом. Крошечные чипы в лаборатории Бар-Зива основаны на плотно упакованных нитях ДНК, прикреплённых одним концом к поверхности. Изначально команда использовала все 27 генов, необходимых для воспроизведения 30S субъединицы рибосомы бактерии E. coli. Компоненты улавливались в «молекулярные ловушки», размещённые рядом с их генами, что повысило эффективность процесса и позволило учёным наблюдать за производством в реальном времени. Затем они сделали шаг назад, позволив различным частям автономно собираться в рибосомные единицы без внешнего управления.

Молекулярная иерархия

Изначально Бар-Зив и Шульман Даубе смогли создать компоненты, но заставить их самоорганизовываться, как в природных структурах, оказалось сложной задачей. За последующие семь лет и сотни экспериментов учёные определили правильное расположение генов на чипах. Подобно организации генов в хромосоме, гены на чипе должны были быть расположены в правильных местах и в соответствующих относительных количествах. Это оказалось решающим для общей координации сложного процесса сборки. Каждый раз учёные прикрепляли к чипам различную комбинацию генов, сужая возможности, пока не получили состав, способный имитировать естественный процесс производства субъединицы и её самосборки. В природе сборка субъединицы — иерархический процесс. В ходе экспериментов учёные смогли разбить сборку на отдельные шаги, чтобы доказать, что конечный результат — самоорганизованная субъединица, и наблюдать роль шаперонов в этом процессе.

Бар-Зив и Шульман Даубе полагают, что это новое понимание производства сложных многокомпонентных структур может проложить путь к созданию самых разных других сложных молекулярных структур — как существующих в природе, так и ещё не обнаруженных. Например, структуры, обнаруженные у болезнетворных бактерий, можно будет производить для безопасного тестирования и изготовления лекарств, вакцин или диагностических средств без использования целых инфекционных бактерий. В будущем метод самосборки может привести к разработке новых видов вакцин, а также сборочных линий для различных сложных молекул в разных отраслях промышленности.