В природе сложные структуры могут возникать без внешнего управления: отдельные молекулы самостоятельно находят партнеров и объединяются в устойчивую систему. Однако остается вопрос, как они выбирают правильную комбинацию среди множества возможных вариантов. Ученые проследили, как белковые компоненты постепенно формируют вирусоподобную частицу, и выяснили, почему ошибки на ранних этапах не мешают успешной сборке. О том, как работает этот механизм самоорганизации, — в материале «Известий».

Исследователи Оксфордского университета изучили, как отдельные белковые компоненты объединяются в вирусоподобную частицу. Результаты работы опубликованы в журнале Nature. Ученые наблюдали за искусственно созданной частицей из 60 белковых компонентов и смогли проследить, как она постепенно приобретает устойчивую структуру.

У вирусов генетический материал защищен белковой оболочкой — капсидом. Он состоит из отдельных белковых компонентов, которые должны расположиться в определенном порядке. При этом во многих случаях молекулы способны самостоятельно организовываться в нужную форму, без внешнего механизма, который направлял бы каждый этап сборки.

Изучать этот процесс непросто: промежуточные структуры существуют недолго и встречаются в небольших количествах. Поэтому исследователям часто удавалось наблюдать исходные компоненты и готовые частицы, но восстановить все этапы между этими состояниями было значительно труднее.

Чтобы проследить за сборкой, ученые использовали масс-фотометрию — метод, позволяющий определять массу отдельных молекул по свету, который они рассеивают. Исследователи применили этот подход для наблюдения за ростом одной частицы: по мере присоединения новых белков ее масса менялась, и это позволяло отслеживать последовательность сборки.

Такой способ помог увидеть не только исходные компоненты и конечную структуру, но и промежуточные состояния, возникающие в процессе. Благодаря этому ученые смогли изучить, какие взаимодействия приводят к образованию устойчивой частицы и в какой момент сборка начинает идти быстрее. Соавтор исследования Дан Левенталь подчеркнул, что метод позволяет наблюдать процесс непосредственно, а не только делать выводы по отдельным измерениям.

Филипп Кукура, профессор и соавтор исследования

До сих пор большая часть нашего понимания того, как собираются эти структуры, строилась на основе моментальных снимков или теоретических моделей. Возможность количественно оценить лежащие в основе взаимодействия и проследить за ростом одной частицы меняет это. Мы можем увидеть появление важных промежуточных структур и вывести подробную модель процесса построения.

В начале процесса белковые компоненты образуют слабые связи. Если они соединяются неподходящим образом, связь может распасться, а молекулы — попробовать другую комбинацию. Таким образом, неудачные взаимодействия не обязательно приводят к формированию неправильной структуры: система может продолжать поиск устойчивого варианта.

Важный этап наступает, когда пять крупных белковых компонентов образуют замкнутое пятиугольное кольцо. Эта структура становится первым особенно устойчивым промежуточным состоянием. После ее появления для дальнейшей сборки требуется меньше дополнительных компонентов, а рост частицы ускоряется.

Исследователи показали, что сочетание непрочных первоначальных взаимодействий и устойчивых промежуточных структур помогает системе находить правильную конфигурацию. Компоненты могут разъединяться, если соединение оказывается неудачным, но удачные комбинации закрепляются и становятся основой для следующих этапов.

Рой Асор, соавтор исследования

Слабые взаимодействия дают системе возможность совершать ошибки. Большинство взаимодействий не обязательно должны быть успешными: компоненты могут разделиться и попробовать снова. Но как только достаточное количество из них соединится в правильной замкнутой конфигурации, структура станет стабильной, и сборка может продолжиться. Именно это сочетание проб и ошибок, за которым следует закрепление успешных структур, делает этот процесс таким надежным.

Наблюдения за вирусоподобными частицами помогают понять общий принцип, благодаря которому из отдельных молекул возникают сложные упорядоченные структуры. Для этого компонентам не обязательно следовать заранее заданной последовательности действий: результат зависит от характера взаимодействий между ними и от того, какие соединения оказываются устойчивыми.

В ходе исследования ученые смогли проследить, как система переходит от отдельных белковых компонентов к более крупным промежуточным структурам, а затем — к сформированной частице. Это позволило подробнее рассмотреть механизм, который прежде было трудно изучать непосредственно.

Самосборка играет важную роль и в других биологических процессах, когда молекулы объединяются в сложные комплексы. Поэтому методы, позволяющие наблюдать за такими изменениями на уровне отдельных компонентов, могут помочь исследователям глубже понять, как возникают упорядоченные структуры в живых системах.