Белок тихоходки защищает синтетические клетки при высушивании

Тихоходки могут пережить экстремальные условия благодаря состоянию, называемому ангидробиоз, когда вода удаляется из клетки, а биологические процессы замирают. При этом биомолекулы не повреждаются (белки не денатурируют, мембрана не схлопывается). В этом клеткам тихоходки помогают трехалоза и антиоксиданты. Но недавно была показана важная роль CAHS-белков (сytoplasmic abundant heat-soluble), чувствительных к стрессу неупорядоченных белков тихоходок, образующих сети и обеспечивающих структурную поддержку мембраны клетки при обезвоживании.

В нормальных условиях CAHS-белки остаются неупорядоченными, при высыхании они частично упорядочиваются и состоят из C-конца, N-конца и линкера, формирующего α-спирали. CAHS формируют адаптивные (не жесткие) сети, которые слабо взаимодействуют друг с другом. Исследователи из США выяснили, как CAHS-белки защищают клеточную мембрану, изучив изоформу CAHS12. Этот белок, а также укороченную форму CAHS12 экспрессировали в гигантских однослойных везикулах (GUV) — модельных синтетических клеток.

Различные белки инкапсулировали в GUV и подвергли их нескольким циклам дегидратации и регидратации. GUV с заключенными в них CAHS12-GFP от Ramazzottius varieornatus сохраняли свой размер, а вот везикулы с бычьим сывороточным альбумином, актином, GFP или без белков схлопывались, агрегировали или рвались, вероятно, вследствие мембранного стресса.

Авторы получили укороченные формы CAHS12 без C-конца (ΔC) или без N-конца (ΔN). Полноразмерный белок CAHS12 поддерживал форму синтетических клеток, даже если его слить с GFP или BFP. Форма ΔC обладала схожими свойствами, а вот ΔN уже не могла помочь везикуле сохранить форму.

Спустя секунду после добавления воды к высушенным GUV с CAHS12-GFP те расширялись, и через 8 секунд уже принимали сферическую форму. CAHS12 обратимо собирался на мембранах при стрессе, смягчая натяжение и обеспечивая быстрое восстановление везикул после регидратации.

Молекулы CAHS12 взаимодействовали друг с другом с помощью C- и N-концов. Укороченные белки ΔC тоже создавали цепи и нити, однако у ΔN такая способность снижалась, у ΔCΔN — почти пропадала.

CAHS12 может по-разному взаимодействовать с липидами мембраны. Вероятно, это зависит от ее состава. Авторы проанализировали взаимодействие CAHS12 и укороченных форм с нейтральной POPC-мембраной (из фосфолипидов, содержащих пальмитиновую и олеиновую жирные кислоты). Форма ΔC образовывала в два раза больше контактов с мембранной в присутствии воды, но при дегидратации частота контактов CAHS12 и ΔC возрастала до сравнимых значений. ΔN-форма намного хуже формировала контакты с POPC-мембраной. Таким образом, N-конец необходим и для контактов между белками, и для взаимодействия белка с мембраной.

GUV длительное время хранили в присутствии воды. Если везикулы содержали CAHS12-GFP, то их размер и форма сохранялись в течение 5–14 дней при комнатной температуре. Даже спустя 30–74 дня размер снижался ненамного, шарообразная форма сохранялась. Напротив, GUV без CAHS12 или с вариантом ΔN деформировались или исчезали спустя 5 дней; содержимое выходило наружу. К 14-му дня везикулы практически не обнаруживались.

При сухом хранении везикулы, содержащие CAHS12, CAHS12-GFP или ΔC, сохраняли форму, пролежав 14 дней при комнатной температуре, размер также менялся мало. Вариант ΔN не мог поддерживать целостность мембраны. CAHS12-GFP, но не ΔN, поддерживал мембраны везикул при тепловом шоке и осмотическом стрессе.

Если в среде нет воды, тихоходка входит в состояние покоя, теряя 97% собственной воды. Авторы проверили, может ли синтетическая клетка на основе GUV войти в подобие состояния покоя. Они поместили в везикулы пероксидазу хрена. После высыхания исследователи добавили к везикулам воды и перекиси и показали, что пероксидаза по-прежнему работала.

Далее авторы заключили в везикулы систему для бесклеточной транскрипции и трансляции и ДНК, кодирующую mCherry, после чего проверили, может ли CAHS12 защитить систему. После дегидратации и регидратации система работала и синтезировала флуоресцентный краситель, даже если везикулы пролежали без воды 60 дней. Везикулы без CAHS12 не могли поддерживать активность системы после регидратации.

CAHS12 могла сохранять другие свойства синтетической клетки — активность бактериального механочувствительного канала MscL и ее способность взаимодействовать с природной клеткой посредством конъюгации меток SpyTag/SpyCatcher.

«Большой проблемой в современной биотехнологии является то, что многие ценные биологические продукты, такие как вакцины, ферменты, бесклеточные реагенты или биосенсоры, хрупки и требуют охлаждения или заморозки во время транспортировки от завода к конечному потребителю. Эта работа показывает правдоподобный способ изменить это», — сказал Юнкан Си, научный сотрудник Мичиганского университета в области машиностроения, один из авторов исследования.

Белок тихоходки защитил клетки мыши от разрывов в ДНК при облучении