Эти мегамолекулы превращают бактерии в хищников
Кандидат на звание самого большого из известных белков помогает водным бактериям пожирать других микробов, но изучить этих "бегемотов" или доказать, что они вообще существуют, не так-то просто.
Джейкоб Уэст-Робертс, специалист по вычислительной биологии из Калифорнийского университета, изучал последовательности ДНК микроорганизмов в поисках гигантских генов и однажды обнаружил, как ему показалось, нечто потрясающее: ген, кодирующий белок, состоящий из 1800 аминокислот. Средний белок состоит из нескольких сотен. В ответ его научный руководитель, микробиолог-эколог Джиллиан Бэнфилд указала на белки длиной более 30 000 аминокислот, уже известные по данным секвенирования. И вот недавно их группа обнаружила десятки еще более крупных белков, в том числе, возможно, самый большой в мире: 85 000-аминокислотный. По мнению исследователей, эти мегамолекулы могут помочь загадочной группе экологических микроорганизмов питаться другими микробными клетками. О своих выводах они рассказали в препринте, опубликованном на сайте bioRxiv в прошлом месяце.
"Это хорошее исследование", - считает Брайан Хедлунд, микробиолог из Университета Невады. "Они практически удвоили размер самого большого из известных предсказанных белков с 40 000 до 85 000 аминокислот, что просто безумие".
Примерно 35 000 аминокислотный белок титин, содержащихся в мышцах, уже несколько десятилетий удерживает звание самого большого белка в мире. Но, возможно, книгу рекордов Гиннесса пока не нужно обновлять. Уэст-Робертс и его коллеги предположили существование своих гигантских белков на основе генных последовательностей и предсказали формы молекул с помощью инструмента искусственного интеллекта (ИИ) AlphaFold. Возможно, что после создания клетками гигантские белки разбиваются на кусочки, которые выполняют разные функции. "На данный момент мы этого просто не знаем", - говорит Хедлунд.
Последний всеобъемлющий обзор гигантских белков был опубликован в 2008 году. Чтобы получить более свежую картину, Уэст-Робертс искал гены, кодирующие гигантские белки, в открытых базах данных и в новых геномных данных из источников окружающей среды, включая пруд в Северной Калифорнии и болото в Колорадо. Гигантские белки были особенно распространены в Omnitrophota - бактериальном филуме, впервые обнаруженном в Йеллоустонском национальном парке на севере США в 1990-х годах и теперь часто обнаруживаемом в образцах окружающей среды. В общей сложности исследователи обнаружили 46 генов Omnitrophota, кодирующих белки длиной более 30 000 аминокислот, в том числе 85 804-аминокислотный колосс, который был обнаружен в сточных водах. "Они были абсолютно везде", - рассказывает Уэст-Робертс.
Несмотря на повсеместное распространение этих микроорганизмов, исследователи мало что знают об Omnitrophota, кроме того, что можно почерпнуть из их последовательностей. Во многом это объясняется тем, что ученым не удавалось вырастить колонии в лабораторных условиях. 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 с 1990-х годов хранились в лаборатории в виде медленно растущих культур, они обнаружили клетки - маленькие даже по микробным меркам - содержащие генетический материал Omnitrophota. Команда разработала методы обогащения образцов этими клетками, а затем провела их анализ.
Секвенирование генома выявило ген, предсказанный как кодирующий белок длиной почти 40 000 аминокислот, и соответствующие фрагменты белка были обнаружены при биохимическом анализе. Группа Хардера даже смогла разглядеть гиганта на электронных микрофотографиях клеток Omnitrophota, на которых было видно, как они атакуют и пожирают другие бактерии и микробы, называемые археями.
Чтобы определить, участвуют ли обнаруженные Уэстом-Робертсом гигантские белки в подобном хищничестве, он и его коллеги попытались изучить их последовательности с помощью вычислительных методов, предназначенных для определения того, что делают гораздо меньшие белки. "Эти инструменты не предназначены для гигантских белков. Они просто не знают, что с ними делать", - поясняет он. Несмотря на эти трудности, ученым удалось кое-что узнать о титанах. Многие из белков, похоже, проделывают свой путь через клеточную мембрану десятки и более раз. Ряд гигантских белков содержит последовательности, напоминающие последовательности ферментов, которые прикрепляются и расщепляют сахара и другие биомолекулы, находящиеся на клеточных стенках. Они могут быть использованы для связывания и переваривания клеточных стенок добычи, предполагают исследователи.
Чтобы выяснить, как выглядят некоторые из гигантских белков, Уэст-Робертс и его коллеги ввели части их последовательностей в AlphaFold, революционный инструмент Google DeepMind для предсказания структуры белков. Но сеть не приспособлена для белков, размер которых превышает пару тысяч аминокислот, поэтому исследователи разделили мегабелки на перекрывающиеся участки по 1000 аминокислот. "Если вы сделаете его слишком длинным, AlphaFold в какой-то момент просто сдастся и выдаст вам клубок спагетти", - поясняет Уэст-Робертс. Предсказания ИИ структуры белков выявили больше областей, связывающих клеточную стенку, но также и большой сюрприз: очень длинный трубообразный органоид, не похожий ни на что, что когда-либо видели исследователи. Эта структура может участвовать в доставке молекул к жертве или прикрепляться к другим клеткам, прежде чем микроб-хозяин поглотит их.
Мартин Штайнеггер, специалист по вычислительной биологии из Сеульского национального университета, впечатлен тем, как исследователи разобрались в мегамолекулах с помощью AlphaFold и других передовых технологий. "Возможность аннотировать такие гигантские молекулярные механизмы за пределами возможностей традиционных методов - это существенный скачок вперед", - отмечает он. Тот факт, что гигантские белки так часто встречаются у Omnitrophota, особенно удивителен из-за крошечных физических размеров микробов, комментирует Олег Рева, биоинформатик из Университета Претории в Южной Африке. Исследование показывает, что гигантские белки - это "сложное оружие, которым пользуются миниатюрные микробные охотники, преследуя бактериальную и архейную добычу", - добавляет он.
Открытие генов, кодирующих белки длиной более 85 000 аминокислот, не означает, что молекулы существуют в таком виде в клетках, говорят исследователи. Одна из возможностей заключается в том, что после создания белок измельчается на более мелкие части, и эти части принимают на себя различные функции в клетках. Это может объяснить, почему команда Хардера смогла найти только кусочки своего гигантского белка. "В настоящее время я не вижу экспериментальных доказательств существования таких больших белков, - говорит Хардер.
По словам Уэста-Робертса, многие из гигантских белков содержат ферменты, разрушающие белки, называемые пептидазами, которые могут превратить Голиафов в Давидов. Для получения точных ответов исследователям, возможно, потребуется вырастить клетки Omnitrophota, что пока удалось сделать только коллективу Хардера. "Все остальные - просто воображаемые", - говорит Хардер. "Нам предстоит разгадать еще много загадок".
Уэст-Робертс планирует другие проекты, в том числе исследование гигантских белков в археях. Он хотел бы, чтобы другие исследовали найденные им гигантские белки, и мечтает, чтобы кто-нибудь определил, как они выглядят на самом деле, используя такие экспериментальные методы, как криоэлектронная микроскопия или аналогичный метод, позволяющий картировать белки в клетках. "Я просто очень хочу увидеть это и получить достоверную информацию о том, что это такое на самом деле", - говорит он. "Это была бы такая классная фотография".
