Исследователи Anthropic с помощью искусственного интеллекта Claude впервые восстановили трёхмерную структуру необычной белковой частицы, которую создаёт вирус, заражающий бактерии. Полая оболочка напоминает крошечную бочку и состоит из 96 одинаковых белковых молекул. Учёные изучают такие конструкции уже 40 лет, но до сих пор не знают, зачем живым организмам нужны настолько крупные молекулярные сооружения.
Загадочные частицы называют вольтами (vault). Их обнаружили ещё в 1986 году, причём встречаются вольты почти во всех клетках человеческого организма. Под электронным микроскопом ребристая оболочка напомнила первооткрывателям сводчатый потолок собора, откуда и появилось название. Человеческий вольт состоит из 78 копий основного белка, соединённых в две одинаковые половины. По массе такая конструкция примерно втрое превосходит рибосому, которая производит белки внутри клетки.
Зачем клетке нужна столь массивная оболочка, биологи пока не выяснили. Возможно, вольты переносят вещества между клеточным ядром и цитоплазмой, помогают защищаться от токсичных соединений или участвуют в иммунной защите. Ни одна гипотеза пока не получила убедительного подтверждения. Более того, лабораторные мыши могут нормально развиваться без некоторых компонентов вольтов, поэтому определить их назначение оказалось особенно трудно.
Команда Anthropic решила поискать более простые разновидности загадочных частиц у бактерий и бактериофагов, вирусов, которые заражают бактерии и используют их клетки для собственного размножения. Родственные белки у микроорганизмов находили и раньше, однако учёные не знали, способны ли отдельные молекулы самостоятельно собираться в полноценные полые оболочки.
Для поиска подходящих белков Claude проанализировал базу примерно из 15 миллиардов предполагаемых белковых последовательностей. Родственники белков вольта обнаружились у представителей 29 крупных групп бактерий и четырёх групп архей, ещё одной большой группы микроорганизмов. При этом среди видов с расшифрованным геномом нужные последовательности встречались менее чем у 1%.
Из огромной базы исследователи отобрали 44 белка и проверили, какие удаётся получить в лаборатории. Claude помог подготовить последовательности ДНК, необходимые для их производства. Затем наиболее перспективные варианты перенесли в клетки кишечной палочки. Из 15 полученных растворимых белков семь самостоятельно собрались в частицы, напоминающие вольты. У четырёх образцов дальнейшая проверка подтвердила характерную форму оболочки. Два белка происходили от бактерий, ещё два от бактериофагов.
Для подробного изучения выбрали белок бактериофага под обозначением L05. Исследователи быстро заморозили образцы, сделали множество снимков электронным микроскопом и объединили изображения в трёхмерную модель. Метод называют криоэлектронной микроскопией. С его помощью удалось рассмотреть, как именно отдельные белковые молекулы соединяются друг с другом и формируют замкнутую оболочку.
Вирусная разновидность вольта оказалась устроена иначе, чем человеческая. Оболочку образуют 96 копий белка L05, по 48 в каждой половине. Длина частицы составляет около 54 нанометров, ширина достигает 45 нанометров. Человеческий вольт длиннее и уже, примерно 67 на 40 нанометров. Благодаря более округлой форме новая разновидность вмещает примерно на четверть больше, несмотря на меньшую длину.
Особенно интересно устроены концы белковой бочки. Каждая половина постепенно сужается к вершине, образуя трёхступенчатый купол. При этом одинаковые молекулы белка изгибаются по-разному в зависимости от своего положения. Одни заканчиваются на первой ступени, другие доходят до второй, а третьи замыкают конструкцию на вершине.
Затем учёные попробовали изменить размеры оболочки. Вместе с Claude исследователи подготовили 15 вариантов белка L05, меняя участки, которыми соседние молекулы соприкасаются друг с другом. Иногда хватало одной небольшой замены, чтобы оболочка перестала закрываться. Зато добавление двух повторяющихся участков позволило увеличить внутренний объём примерно на 20%. Белковые молекулы продолжили собираться самостоятельно, хотя каждая стала длиннее.
При изучении трёхмерной модели Claude заметил ещё одну странность. В каждой из 96 белковых молекул обнаружился небольшой карман с неизвестным веществом. По форме находящаяся внутри молекула напоминает кофермент А, который клетки используют для переноса химических групп во время обмена веществ. Исследователи пока не установили состав вещества. Если предположение подтвердится, находка может помочь выяснить, какие химические процессы происходят внутри загадочных частиц.
ИИ заметно ускорил и лабораторную работу. Обычно выделение вольтов из клеток занимает около трёх дней. Исследователи решили попробовать другой способ очистки, а Claude помог подобрать оборудование и предложил пропускать содержимое разрушенных бактериальных клеток через специальную колонку. Внутри находятся пористые гранулы: мелкие молекулы задерживаются в порах, а крупные белковые конструкции выходят раньше. Несмотря на опасения, что неочищенный материал засорит дорогое оборудование, метод сработал. Подготовка образцов к микроскопии сократилась примерно до 90 минут.
Claude также помог обработать изображения, полученные с помощью электронного микроскопа. Под руководством специалистов модель настроила программу для восстановления трёхмерных структур и управляла расчётами. Первую полноценную модель получили через 34 часа после начала обработки. Окончательные результаты были готовы примерно через неделю. По оценке Anthropic, традиционная работа над такой структурой могла занять несколько недель.
Однако нейросеть не всегда принимала правильные решения. Однажды Claude предложил состав питательной среды с добавкой, которая мешала бактериям получать чужую ДНК. Ошибка задержала работу на две недели. В другой раз модель пропустила обязательный этап обработки микроскопических изображений и построила неправильную трёхмерную карту. Специалистам пришлось остановить расчёты и исправить последовательность действий.
Весь проект занял менее четырёх месяцев. За прошедшее время команда успела проверить десятки белков, получить несколько разновидностей оболочек и подробно изучить одну из крупнейших белковых конструкций, созданных из белка бактериофага в бактериальных клетках. Исследователи рассчитывают, что в будущем подобные оболочки можно будет использовать как нанокапсулы для доставки ферментов и других веществ. Однако пока речь только о возможном применении.
Учёные также предупреждают об ограничениях работы. Все изученные частицы удалось собрать в лабораторных клетках кишечной палочки. Образуются ли аналогичные конструкции в природных условиях, пока неизвестно. Результаты представлены в предварительной научной рукописи, которая ещё не прошла независимое рецензирование.
Главная загадка тоже остаётся нерешённой. Исследователи выяснили, как 96 белковых молекул собираются в сложную полую оболочку, научились менять её размеры и обнаружили внутри неизвестное вещество. Теперь предстоит понять, зачем бактериям, вирусам и человеческим клеткам нужны молекулярные бочки, назначение которых природа скрывает уже несколько десятилетий.