Группа ученых из Брукхейвенской национальной лаборатории Министерства энергетики США воссоздала человеческий белок ACE2 в клетках мыши. Это предоставило возможность с небывалой подробностью изучать поведение коронавируса SARS-CoV-2 на самых первых этапах заражения в лабораторных условиях.
SARS-CoV-2, возбудитель Covid-19, — вирусная частица диаметром 80–100 нанометров, окруженная мембранной оболочкой, которая содержит в среднем 40 копий кодируемого вирусом белка-шипа. Он опосредует прикрепление вируса к мембране клетки-хозяина, что происходит в результате высокоаффинного связывания с мембранным гликопротеином ангиотензинпревращающего фермента (ACE2), а также последующего слияния вирусной оболочки с клеточной мембраной.
Изначально целью американских ученых было производство большого количества человеческого ACE2 для последующего присоединения белка к наночастицам — те можно было тестировать в качестве противовирусных терапевтических средств или как сенсоры для обнаружения возбудителя в воздухе. Но их создание сопровождалось сложностями: в частности, лабораторным бактериям не хватало ферментов, чтобы прикрепить молекулы углеводов, которые составляют около трети массы белка ACE2.
Тогда команда обратилась к клеткам мышей, похожим на человеческие и способным выполнять ту же обработку углеводов, улавливая и экспрессируя «чужие» гены. Отметим, что мышиная версия белка не связывается с шипом SARS-CoV-2, а это значит, что у ученых появился простой инструмент проверить, производят ли мышиные клетки человеческий белок ACE2.
Команда использовала интактный ген, а затем проштудировала библиотеки клонированных фрагментов ДНК, чтобы найти содержащий неповрежденный ген ACE2 со встроенной нормативной информацией. Далее исследователи подвергли клетки мыши воздействию наночастиц, покрытых этим фрагментом ДНК, а также воздействию генома другого белка, дарующего устойчивость к антибиотику. Клетки, не сумевшие принять и экспрессировать ген устойчивости, погибли, но те, что приобрели его, выжили и выросли в колонии.
Итак, ученые расширили примерно 50 из этих колоний до отдельных культур, а затем протестировали их, чтобы определить, сколько переняли человеческий ген ACE2 и продуцировали человеческий рецепторный белок. Таких оказалось 70%.
Дальнейший анализ показал, что эти колонии содержат в среднем 28 копий человеческого гена ACE2. Интересно, что мышиные клетки удерживали «чужие» копии гена ACE2 и продолжали вырабатывать человеческий белок, кодируемый этими генами, в течение как минимум 90 поколений клеток.
В целом уровень человеческого ACE2 был пропорционален количеству копий гена ACE2, интегрированных в геном мыши, а некоторые из клонированных клеток продуцировали примерно в 50 раз больше ACE2, чем обычно присутствует в клетках грызуна. Самое главное: этот белок был полностью функционален — непатогенный аналог SARS-CoV-2, содержащий шиповый белок коронавируса, мог с ним связываться.
«Проблема, которую создают нановезикулы на основе ACE2, заключается в усилении их нейтрализующего эффекта против SARS-CoV-2. Мы также ищем способы повысить и использовать чувствительность связывания и специфичность наночастиц, связанных с ACE2, чтобы сделать их полезными для борьбы с вирусами. Оба подхода потребуют будущих усилий по оптимизации», — рассказал один из научных сотрудников.
Среди прочего это исследование помогает по-новому взглянуть на производство широкого спектра сложных белков. Примеры включают масштабный спектр рецепторов на клеточной поверхности, которые опосредуют бесчисленные биологические процессы, и важные для промышленности белки вроде моноклональных антител и ферментов.