Как белковая фабрика клетки, рибосома является единственной естественной машиной, которая производит свои собственные части. Вот почему понимание того, как сама машина создана, может открыть дверь ко всему: от понимания того, как развивается жизнь, до разработки новых методов производства наркотиков.
Интенсивные, длительные исследования в Институте Вейцмана в настоящее время продемонстрировали самосинтез и сборку небольшой субъединицы рибосомы-30S – на поверхности чипа.
проф. Рой Бар-Зив и научный сотрудник доктор Ширли Шульман Добе из Химико-биологической физики Института работают над этим проектом около семи лет.
Одной из основных проблем такого проекта является огромное количество различных молекул, которые клетка должна произвести, чтобы создать субъединицу: ядро представляет собой длинную цепь РНК, и к ней необходимо присоединить 20 различных белков.
Они организованы слабыми химическими силами между белковыми молекулами и РНК – отталкивающими в одних точках и притягивающими в других – и вся структура, таким образом, зависит от правильного изготовления и организации каждого компонента.
Добавьте к этому еще шесть белков, которые не являются частью структуры, но действуют как шапероны, чтобы помочь в сборке. В результате получается не менее 27 различных генов – один для кодирования каждого компонента или шаперона – которые должны работать вместе для создания субъединицы.
Вместе с постдокторантом доктором Майклом Леви, который руководил текущим исследованием, и студентом-исследователем Реувеном Фальковичем, команда произвела субъединицы на специализированных чипах, которые Бар-Зив разработал в своей лаборатории.
В конечном итоге им удалось имитировать естественный процесс синтеза частей и сборки их в субъединицы рибосомы.
Крошечные чипсы в лаборатории Бар-Зива основаны на плотно упакованных нитях ДНК, прикрепленных с одного конца к поверхности. Сначала команда использовала все 27 генов, необходимых для воспроизведения 30S-субъединицы рибосомы из бактерии E. coli.
Компоненты были пойманы в «молекулярные ловушки», расположенные рядом с их генами, что улучшило эффективность процесса и позволило ученым наблюдать за процессом производства в режиме реального времени. Затем они сделали шаг назад, позволив различным частям автономно собраться в рибосомные единицы без внешнего направления или вмешательства.
Молекулярная иерархия
Вначале Бар-Зив и Шульман Даубе обнаружили, что они могут делать компоненты, но заставить их самостоятельно собираться, как это делают естественные структуры, было трудным препятствием.
В течение следующих семи лет и сотен испытаний ученые отслеживали правильное размещение генов на чипах. Что-то вроде организации генов в хромосоме, гены на чипе должны были быть расположены в правильных местах и в соответствующих относительных количествах.
Это, как оказалось, имело решающее значение для общего управления сложным процессом сборки. Каждый раз ученые прикрепляли различные чипы генов к чипам, сужая возможности, пока у них не было состава, который мог бы имитировать этот естественный процесс производства субъединиц, а также самосборку. В природе сборка подразделений – это иерархический процесс.
В ходе своих экспериментов ученые смогли разбить сборку на отдельные этапы, чтобы доказать, что конечный результат был самосборной субъединицей, и наблюдать за ролями шаперонов в этом процессе.
Бар-Зив и Шульман Даубе считают, что это новое понимание создания сложных многокомпонентных структур может проложить путь к созданию всевозможных других сложных молекулярных структур – как существующих, так и тех, которые еще не обнаружены в природе.
Таким образом, например, структуры, найденные в болезнетворных бактериях, могут быть произведены с целью безопасного тестирования и производства лекарств, вакцин или средств диагностики без использования целых, инфекционных бактерий.
В будущем метод самосборки может привести к разработке новых видов вакцин, а также сборочных линий для различных сложных молекул для различных отраслей промышленности.
Источник:
Институт науки им. Вейцмана