將遺傳物質打包成雙鏈DNA病毒的分子馬達的內部工作原理

　　圖片:三項研究揭示了病毒DNA包裝馬達的工作原理，可能為新的治療方法或合成分子機器提供見解。

　　DURHAM, N.C. -一組研究人員已經發現了分子馬達的內部工作原理，它將遺傳物質打包成雙鏈DNA病毒。這一進展提供了對痘-皰疹病毒和腺病毒等病毒復制周期的關鍵步驟的深入了解。它也可能給研究人員提供靈感，以自然產生的生物馬達為基礎，創造微型機器。

　　這項研究是由來自杜克大學、明尼蘇達大學、馬薩諸塞大學和德克薩斯大學醫學分部(UTMB)的科學家進行的。研究結果發表在《科學進展》(Science Advances)、《美國國家科學院院刊》(Proceedings of The National Academy of Sciences)和《核酸研究》(核酸研究)上的三部曲論文中。

　　杜克大學機械工程和材料科學、生物醫學工程和化學教授Gaurav Arya說:“有一些缺失的信息阻礙了我們理解這些DNA包裝馬達的工作原理，阻礙了我們設計治療方法或發展新技術的能力。”“但有了新的見解和模擬，我們能夠拼湊出這種奇妙機制的模型，這是迄今為止為這類系統創建的最詳細的模型。”

　　病毒有許多種類，但它們的分類通常取決于它們是將其基因藍圖編碼成RNA，還是單鏈或雙鏈DNA。這種差異在很多方面都很重要，影響著遺傳物質如何被包裝成新的病毒。有些病毒會在新生成的RNA或DNA周圍形成一種稱為衣殼的蛋白質容器，而另一些病毒則先產生衣殼，然后再將遺傳物質填滿。

　　大多數雙鏈DNA病毒采取后一種途徑，這提出了許多挑戰。DNA帶負電荷，不希望被擠在一個小空間里。它被打包成一個非常致密的，近乎結晶的結構，這也需要很大的力量。

　　在Arya實驗室工作的博士生Joshua Pajak說:“這樣做的好處是，當病毒準備好感染新細胞時，壓力有助于將DNA注入細胞。”“據估計，壓力超過800 PSI，這幾乎是一瓶香檳壓力的10倍。”

　　在如此巨大的壓力下將DNA壓縮到一個小小的衣殼中需要一個非常強大的馬達。直到最近，研究人員對這個馬達是如何工作的還只是一個模糊的概念，因為它很難被想象出來。馬達只裝配在病毒粒子上，這比馬達要大得多。

　　Pajak說:“想要看到附著在病毒上的發動機，就像拍下自由女神像的整個雕像，想要看到自由女神像火炬的細節一樣。”

　　但在最近的一次會議上,Pajak得知馬克?莫萊斯UTMB,生物化學和分子生物學教授和保羅?賈丁診斷和生物科學教授,明尼蘇達大學多年來一直工作在這個電機,設備和技能需要看到細節。他們的一些初步結果似乎與Pajak用現有的少量信息建立的模型相吻合。他們的團隊越來越興奮，因為他們各自的發現正匯聚到一個共同的機制上，并迅速著手一起解決病毒發動機的謎團。

　　在發表在《科學進展》雜志上的一篇論文中，Morais和他的同事們用其中一種配置解決了整個馬達的細節問題。他們發現，馬達由五種蛋白質組成，它們相互連接形成環狀結構。每一個蛋白質都像兩個中間有彈簧的吸盤，使底部以螺旋的形式垂直移動，這樣它就可以抓住DNA的螺旋主干。

　　Morais說:“因為你可以在一個大頭針上安裝大約10萬個這樣的馬達，而且它們都在四處擺動，要仔細觀察它們是很困難的。”“但在我的UTMB同事邁克爾·伍德森和馬克·懷特幫助我們用低溫電子顯微鏡給它們成像后，這個機制的總體框架就就位了。”

　　在發表在《核酸研究》上的第二篇論文中，Morais小組利用x射線晶體學捕捉到了第二種結構的馬達。這一次，發動機的底部吸盤都聚集成一個平面環，這讓研究人員認為，發動機可能會通過在兩種構型之間的棘輪運動，將DNA轉移到病毒中。

　　為了驗證這一假設，Pajak和Arya在Anton 2上進行了重型模擬，Anton 2是目前運行分子動力學模擬最快的超級計算機。他們的結果不僅支持了提議的機構，而且還提供了關于電機齒輪在兩種配置之間如何扭曲的信息。

　　當蛋白質的頂部靜止地附著在病毒粒子上時，它們的下半部分在一種叫做ATP的攜帶能量分子的驅動下，以循環方式上下移動。一旦所有的蛋白質都向上移動——拖著DNA一起——蛋白質就會釋放ATP化學反應的副產品。這導致較低的環釋放DNA，回到原來的螺旋狀態，在那里它們再次抓住更多的ATP和DNA，重復這個過程。

　　“約書亞拼湊了很多線索和信息，創造了這個模型，”艾莉亞說。“但一個模型只有在它能預測我們還不知道的新見解時才有用。”

　　該模型的核心是一系列機械動作，它們必須配合在一起，并按順序發生，以便一切正常工作。Pajak的模擬預測了一系列特定的機械信號，這些信號告訴蛋白質的底部它們是否應該抓住DNA。就像倒下的多米諾骨牌一樣，從中間移除一條信號通路應該會阻止連鎖反應并阻斷信號。

　　為了驗證這一預測，研究人員轉向Jardine和他的同事Shelley Grimes和Dwight Anderson，看看移除一個信號多米諾骨牌是否真的能阻止發動機包裝DNA。發表在《美國國家科學院院刊》(PNAS)上的第三篇論文表明，這種破壞起了作用。在信號通路上的多米諾骨牌發生突變后，它無法正常工作，發動機仍然可以像以前一樣結合和燃燒燃料，但在包裝DNA方面要差得多。

　　賈丁說:“由高分辨率結構和詳細的預測所預測的新機制提供了比我們以前所知道的更多的細節。”“這使我們能夠測試馬達關鍵部件的作用，從而評估我們目前所了解的這種新機制的有效性。”

　　結果有力地表明，該模型非常接近描述如何電動機在自然界的行為。該小組計劃繼續其高度集成的結構、生化和模擬方法，以進一步測試和完善擬議的模型。他們希望這一基本的認識有可能在未來的某一天被用于對抗疾病或制造合成分子馬達。

　　“所有的科技都以這樣或那樣的方式受到自然的啟發，”艾莉亞說。“現在我們真的知道了分子馬達是如何工作的，希望它能激勵其他研究人員使用同樣的機制創造新的發明。”