I ricercatori rivelano il funzionamento interno del motore di confezionamento del DNA virale

Un gruppo di ricercatori ha scoperto il funzionamento interno dettagliato del motore molecolare che racchiude il materiale genetico in virus a DNA a doppio filamento. Questo progresso fornisce informazioni su un passaggio critico nel ciclo riproduttivo di virus come poxvirus, herpesvirus e adenovirus. Potrebbe ispirare i ricercatori che stanno costruendo macchine microscopiche basate su biomotori naturali.

La ricerca è stata condotta da scienziati della Duke University, dell’Università del Minnesota, dell’Università del Massachusetts e dell’Università del Texas Medical Branch (UTMB). I risultati appaiono online in un trio di articoli pubblicati in progresso scientificoE il Atti dell’Accademia Nazionale delle Scienze E il ricerca sugli acidi nucleici.

“C’erano così tante informazioni mancanti che ci hanno impedito di capire come funzionavano questi tipi di motori di incapsulamento del DNA e che hanno ostacolato la nostra capacità di progettare terapie o sviluppare nuove tecnologie”, ha affermato Gaurav Arya, professore di ingegneria meccanica, scienza dei materiali e ingegneria biomedica. e chimica alla Duke. “Ma con le nuove intuizioni e simulazioni, siamo stati in grado di mettere insieme un modello di questo straordinario meccanismo, il più dettagliato che sia mai stato creato per questo tipo di sistema”.

I virus sono disponibili in molte varietà, ma la loro classificazione generalmente dipende dal fatto che i loro progetti genetici codificano per RNA, DNA a filamento singolo o doppio filamento. La differenza è importante in molti modi e influenza il modo in cui il materiale genetico viene confezionato in nuovi virus. Mentre alcuni virus costruiscono un contenitore proteico chiamato capside attorno all’RNA o al DNA appena prodotto, altri creano prima il capside e poi lo riempiono di materiale genetico.

La maggior parte dei virus a DNA a doppio filamento segue quest’ultimo corso, che presenta molte sfide. Il DNA è caricato negativamente e non vuole essere ammassato insieme in un piccolo spazio. Ed è confezionato in una struttura molto densa e semicristallina, che richiede anche molta forza.

“Il vantaggio di questo è che quando il virus è pronto a infettare una nuova cellula, la pressione aiuta a iniettare il DNA nella cellula una volta che è stata perforata”, ha detto Joshua Bajak, uno studente di dottorato che lavora nel laboratorio di Arya. “Si stima che la pressione superi 800 libbre per pollice quadrato, che è circa dieci volte la pressione in una bottiglia di champagne ricoperta di sughero”.

Spingere il DNA in un piccolo capside a questa pressione richiederebbe un motore molto potente. Fino a poco tempo fa, i ricercatori avevano solo una vaga idea di come funzionasse questo motore perché era così difficile da immaginare. Il motore si raccoglie solo sulla particella del virus, che è ingombrante rispetto al motore.

“Cercare di vedere il motore associato al virus è come cercare di vedere i dettagli nella torcia della Statua della Libertà scattando una foto dell’intera statua”, ha detto Pacak.

Ma in una recente conferenza, Bagak ha appreso che Mark Moraes, professore di biochimica e biologia molecolare all’UTMB, e Paul Jardine, professore di scienze diagnostiche e biologiche all’Università del Minnesota, hanno lavorato su questo motore per anni e hanno l’attrezzatura e capacità di conoscere i dettagli. Alcuni dei loro risultati iniziali sembravano identici ai modelli che Bajak stava costruendo con poche informazioni già disponibili. Il gruppo si è entusiasmato mentre i loro risultati separati stavano convergendo verso un meccanismo comune e hanno rapidamente deciso di risolvere insieme il puzzle del driver virale.

In un articolo pubblicato su progresso scientificoMorais e i suoi colleghi hanno completamente svelato i dettagli del motore in una delle sue configurazioni. Hanno scoperto che il motore è costituito da cinque proteine ​​collegate tra loro in una forma ad anello. Ognuna di queste proteine ​​è come due ventose con una molla tra di loro, consentendo al segmento inferiore di muoversi verticalmente in una formazione elicoidale in modo che possa afferrare la spina dorsale elicoidale del DNA.

“Poiché si potevano mettere circa 100.000 di questi motori in cima a un perno e tutti vibrare attorno ad esso, era difficile osservarli bene”, ha detto Moraes. “Ma dopo che i colleghi dell’UTMB Michael Woodson e Mark White ci hanno aiutato a fotografarli con un microscopio crioelettronico, è stata messa in atto una struttura generale del meccanismo”.

In un secondo articolo, pubblicato in ricerca sugli acidi nucleici, il gruppo Morais ha catturato il motore in una seconda configurazione utilizzando la cristallografia a raggi X. Questa volta le ventose inferiori del motore sono state raggruppate in un anello piatto, portando i ricercatori a immaginare che il motore potrebbe trasmettere il DNA al virus aumentando tra le due configurazioni.

Per testare questa ipotesi, Bajak e Arya hanno eseguito simulazioni pesanti sull’Anton 2, il supercomputer più veloce attualmente disponibile per eseguire simulazioni di dinamica molecolare. I loro risultati non solo hanno supportato il meccanismo proposto, ma hanno anche fornito informazioni su come esattamente gli ingranaggi del motore ruotano tra le due configurazioni.

Mentre i picchi delle proteine ​​rimangono stabilmente attaccati alla particella virale, le loro metà inferiori si muovono su e giù secondo uno schema periodico alimentato da una molecola che trasporta energia chiamata ATP. Una volta che tutte le proteine ​​si stanno muovendo verso l’alto, trascinando con sé il DNA, le proteine ​​rilasciano il sottoprodotto della reazione chimica, l’ATP. Questo rilascia l’anello inferiore del DNA e ritorna al suo stato elicoidale originale, dove cattura di nuovo più ATP e DNA per ripetere il processo.

“Joshua ha raccolto molti indizi e informazioni per creare questo modello”, ha detto Arya. “Ma un modello è utile solo se può prevedere nuove intuizioni di cui non eravamo già a conoscenza”.

In sostanza, un modello è una serie di azioni meccaniche che devono combaciare e verificarsi in ordine sequenziale affinché tutto funzioni correttamente. Le simulazioni di Bagak hanno previsto una serie specifica di segnali meccanici che dicono al fondo delle proteine ​​se devono o meno afferrare il DNA. Come una linea di domino che cade, rimuovere una delle vie di segnalazione dal centro dovrebbe fermare la reazione a catena e prevenire il segnale.

Per convalidare questa previsione, i ricercatori si sono rivolti a Jardine e ai colleghi Shelley Grimes e Dwight Anderson per vedere se la rimozione di uno dei domino già segnalanti avesse impedito al motore di impacchettare il DNA. Un terzo articolo, pubblicato in PNAS, mostra che il sabotaggio è riuscito. Dopo che il domino nel percorso del segnale è mutato in modo che non potesse più funzionare, il motore potrebbe ancora legare il carburante e bruciarlo proprio come aveva sempre fatto, ma era molto peggio nell’impacchettare il DNA.

“Il nuovo meccanismo previsto dalle strutture ad alta risoluzione e dalle previsioni dettagliate ha fornito un livello di dettaglio maggiore di quello che avevamo prima”, ha detto Jardine. “Questo ci ha permesso di testare il ruolo dei componenti critici del motore, e quindi di valutare la fattibilità di questo nuovo meccanismo come lo intendiamo attualmente”.

Il risultato è una forte indicazione che il modello è molto vicino alla descrizione del comportamento motorio in natura. Il gruppo prevede di continuare il suo approccio strutturale, biochimico e di simulazione altamente integrato per ulteriori test e perfezionamento del modello proposto. Sperano che questa conoscenza di base possa un giorno essere utilizzata per combattere le malattie o creare un motore molecolare artificiale.

“Tutte le tecnologie sono ispirate dalla natura in un modo o nell’altro”, ha detto Arya. “Ora che sappiamo davvero come funziona questo motore molecolare, speriamo che possa ispirare altri ricercatori a inventare nuove invenzioni utilizzando questi stessi meccanismi”.