Исследователи Московского физико-технического института (МФТИ) выявили уникальное семейство ультракомпактных белков. Эти молекулы позволяют бактериофагам (вирусам бактерий) и плазмидам успешно обходить клеточную защиту. Протеины точно воспроизводят структуру ДНК, деактивируя работу бактериальной системы рестрикции-модификации (собственной иммунной системы) и безопасно перенося чужеродный генетический код. Это прорывное открытие устанавливает новый природный механизм эволюции и прокладывает путь для создания инновационных инструментов генной инженерии.
Архитектура бактериального иммунитета
Основной инструмент защиты у бактерий от генетических захватчиков — системы рестрикции-модификации (РМ-системы). Они идентифицируют и расщепляют незнакомые последовательности ДНК. В свою очередь, мобильные элементы (плазмиды — отдельные молекулы ДНК, умеющие реплицироваться, и транспозоны — перемещающиеся ДНК-фрагменты) выработали специальные белки-антирестриктазы. Они обманывают систему РМ, маскируясь под ДНК, и сохраняют свою генетическую информацию от уничтожения.
Миниатюрные защитники генетического кода
Наиболее известными до сих пор были антирестриктазы ArdA, подражающие структуре и заряду двойной спирали ДНК. Ученые МФТИ, изучая бактериальные геномы, совершили удивительное открытие: нашли гены, кодирующие новое семейство родственных белков. Эти протеины выполняют защитную функцию, но радикально отличаются размерами — они почти втрое компактнее классического ArdA. Это семейство получило название sArdA (small ArdA).
Два подсемейства коротких чемпионов
Исследование показало: компактные протеины объединились в две эволюционно стабильные подгруппы. Одна из них обладает структурным сходством с N-концевым доменом полного белка ArdA, вторая — с его С-концевым доменом. Эти подсемейства были наименованы sArdN и sArdC соответственно.
Моделирование AlphaFold3 раскрыло механизм
Чтобы понять взаимодействие мини-белков с бактериальной защитой, ученые провели моделирование, применив алгоритм искусственного интеллекта AlphaFold3. Результаты подтвердили: оба протеина успешно блокируют ключевой фермент системы защиты. Любопытно, что каждый белок использует для этого собственную, уникальную молекулярную стратегию.
Экспериментальная проверка в кишечной палочке
Для доказательства функциональности этих генов специалисты интегрировали их в геном модельной бактерии — кишечной палочки. Испытания показали: оба белка действительно защищают вирусную ДНК, делая это избирательно. Каждый протеин наиболее эффективно подавляет "свой" конкретный тип защитной системы, распознающий строго заданную последовательность ДНК.
Многообещающие перспективы для науки и биотехнологий
Эта работа приносит ценность фундаментальной науке, углубляя представления о молекулярной мимикрии, и указывает на значимые биотехнологические перспективы. Доказано: даже очень короткие белки, мимикрирующие под ДНК, способны проявлять исключительную специфичность и выполнять свои функции. Это открывает путь для разработки небольших, но мощных молекулярных инструментов. Такие регуляторы позволят избирательно контролировать активность ДНК-связывающих ферментов, например, управлять экспрессией генов. В дальнейшем они могут способствовать созданию передовых методов терапии заболеваний, вызванных проблемами в работе генома.
Проект выполнен при финансовой помощи гранта РФФИ РНФ 24-74-00024.
Материал предоставлен пресс-службой МФТИ.
Источник фото: ru.123rf.com
Источник: scientificrussia.ru
