Ученые раскрыли механизм работы вирусного мотора для упаковки ДНК

Исследователи выяснили детальное устройство молекулярного мотора, который упаковывает генетический материал в двухцепочечные ДНК-вирусы. Это дает понимание ключевого этапа репродуктивного цикла вирусов, таких как покс-, герпес- и аденовирусы. Открытие также может вдохновить на создание микроскопических машин на основе природных биомоторов.

Исследование провели ученые из Университета Дьюка, Университета Миннесоты, Университета Массачусетса и Медицинского отделения Техасского университета (UTMB). Результаты опубликованы в трех статьях в журналах Science Advances, Proceedings of the National Academy of Sciences и Nucleic Acids Research.

Проблема упаковки ДНК

Большинство двухцепочечных ДНК-вирусов сначала создают белковый контейнер (капсид), а затем заполняют его генетическим материалом. Упаковка отрицательно заряженной ДНК в крошечное пространство с образованием плотной, почти кристаллической структуры требует огромного усилия.

"Было подсчитано, что давление превышает 800 PSI, что почти в десять раз больше давления в закупоренной бутылке шампанского", — говорит Джошуа Пажак, докторант.

Это давление впоследствии помогает вирусу инфицировать новую клетку.

Визуализация и структура мотора

Мотор, создающий такое давление, огромен по молекулярным меркам, и его сложно изучать. Группа Марка Мораиса (UTMB) с помощью криоэлектронной микроскопии определила структуру всего мотора в одной из его конфигураций (Science Advances).

Оказалось, что мотор состоит из пяти белков, соединенных в кольцо. Каждый белок похож на две присоски с пружиной между ними, что позволяет нижней части двигаться по спирали и захватывать спиральную основу ДНК.

Вторая работа (Nucleic Acids Research) с использованием рентгеновской кристаллографии зафиксировала мотор в другой конфигурации, где нижние "присоски" были сжаты вместе в плоское кольцо. Это навело на мысль, что мотор перемещает ДНК, переключаясь между двумя конфигурациями.

Моделирование и проверка механизма

Чтобы проверить гипотезу, Пажак и профессор Гаурав Арья провели масштабное моделирование молекулярной динамики на суперкомпьютере Anton 2. Модель подтвердила предложенный механизм и показала, как именно "шестеренки" мотора меняют конфигурацию.

Механизм работы:

1. Верхние части белков статично прикреплены к вирусной частице.
2. Нижние части движутся вверх и вниз циклически, используя энергию молекулы АТФ.
3. При движении вверх белки тянут за собой ДНК.
4. После этого белки высвобождают побочный продукт химической реакции АТФ, что заставляет нижнее кольцо отпустить ДНК и вернуться в исходное спиральное состояние, чтобы повторить цикл.

Модель предсказала существование цепочки механических сигналов, которые координируют захват ДНК. Чтобы проверить это, группа Пола Жардина (Университет Миннесоты) "выключила" один из элементов этой цепочки (опубликовано в PNAS). Мутация привела к тому, что мотор по-прежнему связывался с ДНК и потреблял "топливо" (АТФ), но почти потерял способность ее упаковывать.

Это стало сильным подтверждением точности предложенной модели. Ученые планируют продолжить исследования, чтобы доработать ее. Это фундаментальное понимание может в будущем помочь в борьбе с болезнями или в создании синтетических молекулярных моторов.