Физика «вирусного» процесса: учёные измерили скорость передачи ДНК от вирусов к бактериям
Исследователи из Калифорнийского технологического института (Caltech) впервые смогли наблюдать, как вирусы заражают отдельные бактерии, передавая свою ДНК, и измерить скорость этого процесса. Изучая ранние стадии заражения бактериофагом, учёные установили, что скорость передачи ДНК фага определяют не сами вирусы, а клетки-мишени, в которые происходит внедрение.
«Прелесть нашего эксперимента в том, что мы могли наблюдать, как отдельные вирусы заражают отдельные бактерии», — говорит Роб Филлипс, профессор биофизики и биологии Caltech. В отличие от массовых измерений, новые методы позволяют увидеть, как вирус «выстреливает» своей ДНК.
Результаты описаны в статье «A Single-Molecule Hershey–Chase Experiment», которая выйдет 24 июля в журнале Current Biology. Работа повторяет знаменитый эксперимент 1952 года, доказавший, что носителем генетической информации является ДНК, а не белок. Бактериофаги передают в бактерию только свой генетический материал, оставляя белковую оболочку снаружи.
Основной вопрос заключался в механизме передачи. ДНК внутри фага находится под огромным давлением (как шампанское в закупоренной бутылке), поскольку в оболочку размером 50 нм упаковано 16 микрометров ДНК. Учёные хотели проверить, играет ли это давление ключевую роль.
Метод и результаты
Исследователи использовали флуоресцентный краситель, чтобы пометить ДНК двух мутантов бактериофага лямбда — с коротким и длинным геномом. С помощью флуоресцентного микроскопа они отслеживали, когда и как быстро вирусная ДНК переходит из каждого фага в клетку E. coli.
- Среднее время «выстрела» составило около 5 минут, с существенными вариациями.
- Это резко контрастирует с экспериментом в пробирке, где фаги, обманутые условиями, выбрасывали ДНК в раствор менее чем за 10 секунд. В той модели скорость определялась количеством ДНК в фаге.
Ключевой вывод
«То, что было верно в пробирке, неверно в клетке», — отмечает Филлипс. Клетка E. coli невероятно переполнена: в объёме ~1 мкм³ содержится около 3 миллионов белков, расстояние между которыми менее 10 нм. Именно эта теснота и «забитость» клетки становится лимитирующим фактором скорости передачи ДНК.
«В данном случае скорость зависела больше от реципиента, чем от давления, созданного внутри фага».
Перспективы
В будущем команда планирует использовать разработанные методы для изучения других типов бактериофагов и поиска молекул, которые могут активно «втягивать» вирусную ДНК в клетку. Например, у фага T7 клетка-хозяин начинает копировать гены вируса ещё до завершения передачи всей ДНК.
Исследование также важно для понимания фундаментальной физики переноса биополимеров (например, ДНК и белков) через мембраны — ключевого процесса для всей клеточной жизни.