Биологи нашли гены, способные создавать гигантские белки — оружие микробов-хищников

Команда микробиологов из Калифорнийского университета в Беркли обнаружила ген, способный кодировать белки размером 85 000 аминокислот. Такие огромные белки никогда не встречались ни в природе, ни в лаборатории: средний белок имеет длину несколько сотен аминокислот. Ученые предполагают, что бактерии омнитрофот используют гигантские белки как оружие при охоте за другими микробами.
Биологи нашли гены, способные создавать гигантские белки — оружие микробов-хищников
Антипараллельная структура бета-спирали предсказана на основе белка типа археворина, встречающегося в геноме SR-VP_9_9_2021_34_2B_1_4m_PACBIO-HIFI_HIFIASM-META_416_C. Предсказание структуры массивного белка, открытого биологом Джейкобом Уэст-Робертсом и его коллегами. West-Roberts, J. et al./bioRxiv.
Мир микроорганизмов необыкновенно разнообразен. Там есть настоящие хищники, у них есть огромные белки и удивительное оружие охоты. Мы только прикоснулись к этому миру.

Джейкоб Уэст-Робертс, биолог из Калифорнийского университета в Беркли, исследовал последовательности микробной ДНК в поисках гигантских генов и обнаружил ген, кодирующий белок, состоящий из 1800 аминокислот. Это обрадовало ученого, ведь в обычном белке аминокислот всего несколько сотен.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

«Подождите, удивляться, посмотрите на это», — сказала его научный руководитель, микробиолог из Беркли Джиллиан Бэнфилд, и показала белки длиной более 30 000 аминокислот, уже известные по данным секвенирования.

В дальнейшем команда обнаружила гены, способные кодировать еще более крупные белки, включая, возможно, самый длинный из когда-либо найденных: гигант, состоящий из 85 000 аминокислот. Исследователи предполагают, что эти мегамолекулы встречаются в природе и позволяют микроорганизмам-хищникам питаться другими микробными клетками.

Белок, содержащий примерно 35 000 аминокислот, был обнаружен в мышцах. Это — Титин. Он на протяжении десятилетий удерживал титул крупнейшего белка в мире. Но, возможно, Книгу рекордов Гиннеса пока рано обновлять. Уэст-Робертс и его коллеги сделали вывод о существовании своих гигантских белков на основе последовательностей генов и предсказали форму молекул с помощью инструмента искусственного интеллекта AlphaFold. Вполне возможно, что после того, как гигантские белки создаются в реальных клетках, эти мегамолекулы сразу распадаются на фрагменты, и каждый из них выполняет свою функцию.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Тайные гиганты

Самый последний комплексный обзор гигантских белков был опубликован в 2008 году. Чтобы получить более актуальную картину, Уэст-Робертс искал гены, кодирующие гигантские белки, в общедоступных базах данных и в новых данных о геномах из источников в окружающей среде.

Гигантские белки особенно распространены у микробов Omnitrophota (омнитрофота) — бактериального типа, впервые обнаруженного в Йеллоустонском национальном парке на севере США в 1990-х годах и потом найденного во многих в образцах окружающей среды. В общей сложности исследователи обнаружили 46 генов омнитрофоты, кодирующих белки длиной более 30 000 аминокислот, включая и огромный белок 85 804 аминокислот. Ген, кодирующий эту мегамолекулу, был найден у бактерии, живущей в сточных водах.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
Антипараллельная структура бета-спирали предсказана на основе последовательности типа Докерина CAILPI010000004_73. Предсказание структуры гигантского белка «типа Докерина» — категории, придуманной командой Уэста-Робертса.
Антипараллельная структура бета-спирали предсказана на основе последовательности типа Докерина CAILPI010000004_73. Предсказание структуры гигантского белка «типа Докерина» — категории, придуманной командой Уэста-Робертса.
West-Roberts, J. et al./bioRxiv

Несмотря на повсеместное распространение этих микробов, исследователи мало что знают об омнитрофотах, кроме того, что можно выяснить при анализе ДНК. Во многом это связано с тем, что ученым очень долго не удавалось вырастить образцы в лаборатории.

Но в прошлом году группа под руководством микробиолога Йенса Хардера из Института морской микробиологии Макса Планка в Бремене, Германия, сообщила о прорыве. В образцах сточных вод, которые инкубировались в лаборатории с медленнорастущими культурами с 1990-х годов, ученые обнаружили клетки, — маленькие даже по микробным стандартам — которые содержали генетический материал омитрофот. Команда разработала методы обогащения образцов этими клетками, а затем проанализировала их.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Секвенирование генома выявило ген, который, по прогнозам, кодирует белок длиной около 40 000 аминокислот, и фрагменты белка были обнаружены при биохимическом анализе. Команда Хардера, возможно, даже увидела (но в этом нет полной уверенности) гиганта на электронных микрофотографиях омнитрофоты. Эти снимки, как считают ученые, показывают, как омитрофоты атакуют и пожирают другие бактерии и микробы, так называемые археи.

Белковые хищники

Команде Уэста-Робертса удалось кое-что узнать об огромных белках. Многие белки, по-видимому, проходят через клеточную мембрану дюжину и более раз. Исследователи предполагают, что микробы могут использовать гигантские белки для связывания и переваривания клеточных стенок добычи.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Чтобы попытаться выяснить, как выглядят некоторые из гигантских белков, Уэст-Робертс и его коллеги подключили фрагменты полученных последовательностей к AlphaFold, революционному инструменту Google DeepMind для прогнозирования структуры белков.

Прогнозы ИИ о структурах белков выявили многие области, связывающиеся с клеточной стенкой, но был выявлен и очень длинный трубчатый аппарат, не похожий ни на что, что исследователи когда-либо видели. Эта структура может прикрепляться к другим клеткам, чтобы микроб-хозяин мог эти клетки поглотить.

Обсидиановый бассейн, расположенный примерно в 200 метрах от юго-западного берега Гусиного озера в районе грязевого вулкана Йеллоустоуна, на фото 1997 года. Здесь была обнаружена группа бактерий, содержащая гигантские белки.
Обсидиановый бассейн, расположенный примерно в 200 метрах от юго-западного берега Гусиного озера в районе грязевого вулкана Йеллоустоуна, на фото 1997 года. Здесь была обнаружена группа бактерий, содержащая гигантские белки.
Bob Lindstrom/American National Park Service

Тот факт, что гигантские белки так часто встречаются у омнитрофот, особенно удивителен из-за крошечных физических размеров этих микробов, говорит Олег Рева, биоинформатик из Университета Претории в Южной Африке. Он согласен с выводами калифорнийских ученых, что гигантские белки являются «сложным оружием, которым владеют миниатюрные охотники за микробами в поисках бактериальной и архейной добычи».

Реальное существование

По словам исследователей, открытие генов, кодирующих белки длиной более 85 000 аминокислот, не означает, что молекулы существуют в таком состоянии в клетках. Одна из возможностей заключается в том, что после изготовления белок распадается на более мелкие фрагменты, и они берут на себя разные функции. Это могло бы объяснить, почему команде Хардера удалось найти только фрагменты гигантского белка. «В настоящее время я не вижу экспериментальных доказательств существования этих крупных белков», — говорит Хардер.

Многие из гигантских белков содержат расщепляющие белки ферменты, называемые пептидазами, которые могли бы разрубить «Голиафов» на «Давидов», говорит Уэст-Робертс. Точные ответы, вероятно, потребуют от исследователей умения выращивать омнитрофоты в лаборатории, что до сих пор удалось сделать только команде Хардера, но его методы крайне непросто масштабировать.