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.
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.
Структурная эволюция капсидов
A. Структурные изменения капсида в ходе искусственной эволюции. В. Эволюция белка, из которого состоит нуклеокапсид. С. Изменения в сворачивании белка. Изображение: Science
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.