Исследуем частицы хранилища с помощью Claude04.11.2026 03:00

Биологические клетки впервые обнаружили в 1665 году, но даже спустя более чем три с половиной столетия многое в их устройстве остаётся неизвестным. Ещё сравнительно недавно существование некоторых важнейших компонентов, не говоря уже об их функции, было предметом споров. Даже сегодня более трети из примерно 4 400 генов одной из наиболее тщательно изученных клеток — бактерии E. coli — остаются малоизученными. Ещё одна такая загадка — вольтовая частица.

Вольтовая частица — крупная полая белковая оболочка, встречающаяся почти во всех клетках нашего организма. Её обнаружили в 1986 году Леонард Ром и Нэнси Кедерша, однако её функция по-прежнему неясна. По массе она примерно втрое превосходит рибосому и относится к крупнейшим из известных молекулярных комплексов эукариот — организмов со сложными клетками, например млекопитающих. Эукариотам противопоставляют простых, обычно одноклеточных «прокариот», например бактерий. Название вольтовых частиц связано с их формой. Рассматривая их под электронным микроскопом, доктор Ром и доктор Кедерша заметили, что рёбра оболочки напоминают сводчатый потолок собора. У млекопитающих оболочка состоит из 78 копий основного вольтового белка, расположенных в виде двух одинаковых половин, соединённых посередине.

Вольтовые частицы встречаются у большинства представителей эукариот — от слизевиков до человека, поэтому учёные полагают, что они должны выполнять полезную функцию. Исследователи выдвигали разные предположения: например, что частицы переносят молекулы между ядром и цитоплазмой, защищают клетки от токсичных соединений, таких как противораковые препараты, или поддерживают врождённый иммунитет. Однако ни одна из этих гипотез не получила убедительного подтверждения. Другие исследования показали, что мыши без вольтовых частиц всё равно выживают, что позволяет предположить: необходимость в них возникает лишь при определённых условиях среды. И всё же вопрос остаётся: зачем эволюции сохранять столь крупную структуру, если у неё нет важной функции?

Чтобы выяснить, может ли Claude помочь продвинуться в решении этой давней открытой проблемы, наша команда биологических исследований занялась изучением вольтовых частиц. Мы пока не установили их биологическую функцию, но обнаружили, что гораздо большее число вольтовых белков, встречающихся у представителей разных царств живого мира, в том числе у прокариот и заражающих их бактериофагов, способны собираться в полноценные вольтоподобные частицы. Родственные белки уже обнаруживали в геномах прокариот и фагов, однако, насколько нам известно, до сих пор никто не показывал, что они формируют вольтовые частицы.

Вольтовая частица в прокариотической клетке даёт исследователям более простую систему для изучения. По сравнению с клетками млекопитающих бактерии быстро растут, поэтому с ними проще выяснить происхождение вольтовых частиц, определить их базовое строение и понять, содержат ли они что-либо внутри. Изучение бактериальных аналогов человеческих белков уже приносило важные результаты. Бактериальные версии систем передачи сигнала cGAS–STING, газдерминов и виперинов раскрыли микробное происхождение этих механизмов иммунной защиты человека. В тех случаях функция у человека уже была известна. Функция вольтовых частиц неизвестна, и их прокариотические родственники могут помочь её раскрыть.

Здесь мы рассказываем, как определили молекулярную структуру вольтовой частицы бактериофага. Бактериофаги — вирусы, заражающие бактерии. Как и все вирусы, они захватывают клетки хозяина, чтобы производить собственные белки, поэтому эта вольтовая частица формируется внутри бактерии — прокариотической клетки. Она состоит из 96 копий одного белка, тогда как в человеческих вольтовых частицах их 78. Удвоив часть белка, мы создали ещё более крупную вольтовую частицу. Вместе эти результаты проливают свет на то, как собираются такие комплексы, и показывают, как их можно приспособить для биотехнологических задач — например, использовать в качестве нанокапсул для доставки ферментов.

Крышка вольтовой частицы L05. Слева — целая частица, полученная методом криоэлектронной микроскопии. Справа — её крышка, вид сверху. Все 48 цепей закручиваются от края к вершине, перекрывая друг друга. Две трети цепей проходят за первый уровень, а треть достигает вершины, поэтому крышка сужается, напоминая ступенчатый купол.

Эта работа также демонстрирует более широкую цель нашей команды: ускорить фундаментальные биологические исследования, встроив Claude в каждый этап процесса. Под нашим руководством Claude искал данные в белковых базах, проектировал ДНК-конструкции, оптимизировал метод выделения частиц и обрабатывал микроскопические изображения. В результате очистка вольтовых частиц, которая обычно занимает три дня, у нас заняла около 90 минут, а первая структурная модель была готова ещё через 34 часа. По нашим оценкам, обычно на это потребовались бы недели.

Несмотря на достигнутый прогресс, об этих загадочных структурах ещё многое предстоит узнать. Когда мы поделились результатами с доктором Ромом, которого пригласили консультировать нас по этому исследованию, он сказал:

Мы публикуем эти результаты на раннем этапе, чтобы и дальше показывать научному сообществу, как Claude можно использовать для открытий. Подробнее о наших результатах и методах можно прочитать в нашей препринт-публикации. Скоро мы также опубликуем структуры и дополнительные данные.

Похожая на свод структура у прокариот

Структуру вольтовой частицы мы определили с помощью криоэлектронной микроскопии (крио-ЭМ): множество копий частицы быстро замораживают, снимают электронным пучком, а затем объединяют изображения в единую трёхмерную модель. Вольтовая частица состоит из 96 копий одного белка фага, который мы назвали L05 (по 48 копий на каждую половину); её общая масса составляет около 9,5 мегадальтона. Для сравнения, у млекопитающих на каждую половину приходится 39 копий. Вольтовая частица фага также короче и шире: около 54 нанометров в длину и 45 нанометров в ширину против 67 на 40 нанометров у млекопитающих. Несмотря на меньшую длину, она вмещает примерно на 25% больший объём благодаря более сферической форме. Стенку образуют семь повторяющихся сегментов белковой цепи, расположенных последовательно, а не девять, как у вольтовых частиц млекопитающих; её торцевые крышки более плоские. Это одна из крупнейших белковых оболочек, когда-либо обнаруженных у прокариот.

Одна примечательная особенность структуры — способ, которым закрываются крышки. Стенка, состоящая из 48 копий по окружности, должна сужаться к полюсу. Здесь это происходит в три этапа, как у многоярусного купола. В каждой группе из трёх соседних копий одна заканчивается на первом уровне, другая — на втором, а третья продолжается до вершины. Вдоль стенки все три копии одинаковы, но в крышке принимают разные формы (конформации).

Поскольку мы можем создавать эту вольтовую частицу в лаборатории и быстро выделять её, мы также экспериментировали с изменением её структуры, чтобы лучше понять, как собираются эти белки. Вместе с Claude мы создали 15 модифицированных вариантов белка, в большинстве из которых изменения затрагивали места соприкосновения соседних копий. Некоторые одиночные изменения рядом с крышкой оказались достаточными, чтобы помешать оболочке закрыться: вместо герметичных вольтовых частиц мы увидели открытые частицы, похожие на розетки. Это показывает, что данный участок необходим для герметизации оболочки.

Мы также попытались сделать вольтовую частицу ещё крупнее. Обычно стенка состоит из семи повторяющихся сегментов. Когда мы скопировали два из них, увеличив их число в белке до девяти — как в человеческой вольтовой частице, — образовались ещё более крупные частицы, а их внутренний объём вырос примерно на 20%. Эти эксперименты показывают, как вольтовые частицы могли менять размер в ходе эволюции: дублировать фрагменты собственной стенки, не нарушая процесс сборки.

Вольтовая частица L05 (слева) и её модифицированный вариант (справа) с двумя дополнительными сегментами в каждой копии; обе частицы получены методом крио-ЭМ в одинаковом масштабе. Дополнительные повторы увеличивают длину и ширину частицы.

Как Claude помог обнаружить, выделить и изучить новую вольтовую частицу

Одна из причин, по которым вольтовые частицы оставались загадкой на протяжении 40 лет, заключается в том, что они не встречаются в организмах, наиболее удобных для генетических экспериментов, в том числе в пекарских дрожжах, плодовых мушках и нематодах. У мышей вольтовые частицы есть, но животные, выведенные без белка-партнёра вольтовой частицы или вольтовой РНК, развиваются нормально — явных нарушений, которые можно было бы исследовать, не возникает. В последние годы биоинформатики обнаружили отдалённые родственные белки у прокариот, однако не было ясно, формируют ли они вольтовые частицы.

Наша команда решила найти ответ. Исследование включало несколько этапов: поиск в генетических последовательностях, чтобы выяснить, где встречаются вольтовые белки у представителей разных царств живого мира; производство и выделение наиболее перспективных кандидатов, чтобы проверить, собираются ли они в вольтоподобные частицы; и определение структуры одной из частиц, чтобы понять, как соединяются её цепи.

Сначала мы использовали Claude Science, чтобы найти родственные вольтовому белку последовательности в базе примерно из 15 миллиардов предсказанных белков. Они оказались редкими, но широко распространёнными: встречались в 29 крупных группах (типах) бактерий и четырёх группах архей — другой основной группы прокариот, —, но менее чем у 1% видов, чей геном был секвенирован. Затем мы выбрали 44 таких белка и проверили каждый в бесклеточной системе, чтобы выяснить, какие гены дают полноразмерный белок и в каком количестве. Мы отобрали белки, а Claude преобразовал каждую белковую последовательность в последовательность ДНК, подходящую для клетки-хозяина, добавил управляющие последовательности, включающие ген, и подготовил конструкции для заказа. Лучшие варианты мы перенесли в живые бактерии E. coli; 15 из 24 производили растворимый белок.

Затем нужно было выделить частицы. Стандартный метод, разработанный для эукариотических вольтовых частиц, предполагает центрифугирование образца в трубке со слоями сахара возрастающей плотности и занимает около трёх дней. Чтобы ускорить процесс, мы решили попробовать гель-фильтрационную хроматографию. При этом образец проходит через колонку с пористыми гранулами. Во время фракционирования мелкие молекулы задерживаются в порах, а слишком крупные, чтобы проникнуть внутрь, вольтовые частицы выходят первыми — в так называемом свободном объёме.

Сначала Claude выступил против хроматографического подхода, поскольку сгустки неправильно свернувшегося белка выходят в том же свободном объёме. Тем не менее мы решили попробовать, и Claude помог довести метод до успеха: порекомендовал конкретную колонку, а также способы отслеживать вольтовый белок и проверять, сформировались ли частицы. Затем Claude предложил загружать содержимое разрушенных клеток прямо в колонку, без предварительной очистки. Поначалу мы сомневались: такие колонки дороги, а необработанное содержимое разрушенных клеток E. coli может засорить их или вызвать загрязнение. Но мы согласились проверить нестандартную идею — и она сработала.

Мы не первыми выделили вольтовые частицы с помощью колонок для разделения по размеру, однако наш оптимизированный метод позволяет пройти путь от клеток до микроскопической сетки примерно за 90 минут вместо нескольких дней. Под электронным микроскопом мы увидели, что семь из 15 белков собрались в вольтоподобные частицы.

Крио-ЭМ подтвердила форму вольтовых частиц у четырёх из этих семи белков: двух фаговых и двух бактериальных. Для детального изучения структуры, о котором мы рассказали выше, мы выбрали один из белков фага — L05, поскольку он лучше других образовывал полноценные замкнутые частицы. Определение биомолекулярной структуры часто требует недель или месяцев ручной работы со специализированным программным обеспечением. Мы руководили Claude на протяжении всего процесса. Работая во внутренней многопроцессной среде с доступом к вычислительным ресурсам, Claude настроил программное обеспечение с открытым исходным кодом для обработки данных (RELION) и выполнил каждый этап, а мы направляли анализ. Первая полная модель была готова через 34 часа, а окончательные карты — примерно через неделю после начала обработки.

Крио-ЭМ вольтовых частиц L05, полученных в E. coli: поле частиц (большая панель), отдельные выбранные вольтовые частицы (внизу) и усреднённые 2D-классы, на которых видны рёбра стенки (справа).

Claude также обратил внимание на особенность структуры, которую мы пока не можем объяснить. В кармане, расположенном примерно посередине каждой из 96 копий белка, находится небольшая молекула. На карте она хорошо видна, но определить её нам пока не удалось. Claude обнаружил, что её форма напоминает коэнзим A — распространённую вспомогательную молекулу, с помощью которой клетки переносят химические группы. Если это коэнзим A или похожее соединение, такое наблюдение станет первой зацепкой, указывающей на возможную функцию.

Новый способ заниматься наукой

Для нас это был совершенно новый способ заниматься наукой. Никто из нас прежде не работал с белковым комплексом такого размера, а опыт в структурной биологии у нас был ограниченным. И всё же мы взялись за проект, потому что Claude мог восполнить пробелы в наших знаниях и быстро выполнить анализы, которые иначе заняли бы гораздо больше времени.

Менее чем за четыре месяца мы проверили десятки предполагаемых вольтовых частиц, подготовили образцы для микроскопии и определили первую структуру вольтовой частицы, обнаруженной у прокариот. Большую часть этой работы может выполнить обычная лаборатория, имеющая доступ к уже существующим продуктам Claude. Только для анализа крио-ЭМ, который выполнялся параллельно на сотнях графических процессоров, потребовалось больше вычислительных ресурсов, чем обычно доступно академическому учреждению.

Работа таким образом также показала, что Claude нужно улучшить. В написанном им протоколе предлагалось использовать питательную среду с добавкой, мешающей вводить ДНК в клетки, из-за чего проект задержался на две недели. На раннем этапе обработки данных крио-ЭМ Claude пропустил стандартный шаг и получил некорректную карту, смешанную с её зеркальным отражением. Мы попросили его не импровизировать: «Пожалуйста, давайте делать обычные вещи, если только они не работают».

Мы использовали полученные знания для совершенствования Claude. Мы поделились лабораторными записями с исследователями машинного обучения, которые обучают Claude, чтобы они могли увидеть, где модель ошибалась. Это помогло определить, на каких данных следует обучать Claude. В ходе проекта Claude значительно лучше справлялся с такими задачами по мере появления новых моделей: он, по-видимому, стал реже ошибаться при проектировании ДНК-конструкций и лучше выявлять возможные проблемы в экспериментах. В тех областях, где мы хорошо разбирались, мы быстро замечали ошибки; в незнакомых областях они отнимали у нас время. В целом мы пришли к выводу, что преимущества такого подхода намного перевешивают его недостатки, и Claude стал неотъемлемой частью нашей работы.

Пока мы создавали эти вольтовые частицы только в E. coli и ещё не проверили, формируются ли они в бактериях и фагах, где встречаются в природе. Чтобы определить функцию этих частиц, необходимы дальнейшие исследования, а наша работа лишь углубляет загадку. Как выразился доктор Ром:

Мы продолжим изучать функцию вольтовых частиц и будем делиться новыми результатами по мере продвижения работы.

Сотрудничайте с нами

Подробности нашей работы опубликованы в техническом отчёте. Если у вас есть идея о том, какую функцию могут выполнять эти вольтовые частицы, или система, в которой её можно проверить, мы будем рады узнать ваше мнение: mdurrant[at]anthropic.com, nicholasp[at]anthropic.com.