Международной группе ученых с помощью искусственной эволюции удалось воссоздать вирусоподобные белковые частицы, способные хранить в себе гены и защищать их от внешней среды, например, от нуклеаз — ферментов, которые используются организмами для разрушения чужеродных геномов. В своей статье, опубликованной в журнале Science, исследователи раскрыли, что похожим образом на Земле могли возникнуть первые вирусы.
Узнайте больше в полной версии ➞Вирус состоит из внешней белковой оболочки или капсида, внутри которой упакованы нуклеиновые кислоты РНК или ДНК, которые кодируют как белки капсида, так и ферменты, необходимые для сборки новых вирионов, то есть полноценных вирусных частиц. Точное происхождение первых вирусов остается тайной, хотя получение искусственных аналогов может стать полезным для разработки новых систем доставки лекарств в организм и генной терапии. Но даже самые простые вирионы потребовали миллионы лет эволюции в дикой природе.
Отправной точкой для исследования стал ранее полученный нуклеокапсид, сконструированный из бактериального фермента люмазинсинтазы Aquifex aeolicus (AaLS), который способен спонтанно образовывать наноконтейнеры из 60 субъединиц, но не имеет сродства к нуклеиновым кислотам. Ученые внесли изменения в AaLS путем цикличной перестановки аминокислот и добавлением пептида λN, способного связываться c BoxB — петлевой структурой РНК (шпилькой). С помощью искусственного отбора ученые добились того, чтобы полученные нуклеокапсиды NC-3 могли эффективно захватывать мРНК (имеющие BoxB), кодирующие белки оболочки. На первом этапе только один из восьми NC-3 мог упаковать в себя полноразмерный геном.
Для улучшения свойств NC-3 исследователи начали вносить в капсидные гены мутации с помощью полимеразной цепной реакции, в ходе которой синтезируются неточные копии РНК. Полученную библиотеку генов с мутациями подвергли трем циклам сборки нуклеокапсидов и обработки нуклеазой (ферментом, расщепляющим нуклеиновые кислоты), а те гены, что «выжили», вновь размножили. Эволюционировавший вариант нуклеокапсида, обозначенный как NC-4, эффективно упаковывал кодирующую его белки РНК и отличался повышенной устойчивостью к нуклеазам. Кроме того, в отличие от своих предшественников, он оказался способен вмещать существенно более длинные молекулы РНК, состоящие из 863 нуклеотидов.
Искусственная эволюция также сказалась на размерах нуклеокапсида. Если изначально диаметр AaLS достигал в размере всего лишь 16 нанометров, то добавление пептида λN и последующий искусственный отбор расширил диаметр до 30 нанометров. В оболочках NC-4 возникли поры, которые значительно меньше отверстий у предшественников и лучше защищают РНК-геном от нуклеаз, потенциально способных проникнуть внутрь капсида.
Как пишут ученые в своей статье, успешное преобразование белка бактерий в нуклеокапсид, который спонтанно упаковывает и защищает свою собственную кодирующую мРНК, служит иллюстрацией того, как древние самореплицирющие молекулы могли использовать белки для образования вирионов. Хотя в экспериментах был использован фермент, уже способный формировать капсид, легко представить, как эволюция могла создать из мелких белков оболочки, способных защищать свои РНК-молекулы.