Claude собрал первую 3D-структуру волта прокариот

Биологическая лаборатория Anthropic 4 ноября описала первую трёхмерную структуру волт-частицы, собранной в прокариотической клетке: полую белковую бочку из 96 копий одного белка бактериофага, который команда обозначает L05. Цифры ускорения в посте Anthropic - замеры самой команды на своей же работе: выделение частиц заняло около 90 минут вместо обычных трёх дней, а первая структурная модель была готова через 34 часа, тогда как обычно, по оценке команды, на это ушли бы недели. Функцию волтов работа не определяет; препринт отправлен в bioRxiv, ссылка на него пока не опубликована.

Что именно собрали

Волты - крупные полые белковые оболочки, которые нашли в 1986 году Нэнси Кедерша и Леонард Роум; форму им дали рёбра, напомнившие авторам сводчатый потолок собора. У млекопитающих оболочка состоит из 78 копий основного белка волта, по 39 на каждую из двух половин. Частица из фага устроена иначе: 96 копий, по 48 на половину, общая масса около 9,5 мегадальтона. Она короче и шире - примерно 54 нанометра в длину и 45 в ширину против 67 на 40 у млекопитающих, - но замыкает примерно на 25% больший объём, потому что ближе к шару. Стенку образует белковая цепь из семи повторяющихся сегментов, уложенных друг за другом, а не из девяти, как у млекопитающих, и торцевые крышки у неё площе.

Отдельного внимания стоит то, как закрываются крышки. Стенка шириной в 48 копий сужается к полюсу в три ступени, как ярусный купол: в каждой тройке соседних копий одна заканчивается на первой ступени, другая на второй, третья доходит до вершины. Вдоль стенки все три копии одинаковы, а в крышке принимают разные формы. Anthropic называет эту оболочку одной из самых крупных белковых оболочек, найденных у прокариот.

Где Claude спорил с командой

Поиск начали с Claude Science по базе примерно из 15 миллиардов предсказанных белков. Родственники белка волта оказались редкими, но распространёнными широко: они есть в 29 крупных группах бактерий и четырёх группах архей, но меньше чем у 1% видов с прочитанным геномом. Белки для проверки выбирали люди - 44 штуки, - а Claude превращал каждую последовательность в ДНК под клетку-хозяина, добавлял включающие ген служебные участки и готовил заказ. Лучших перенесли в живую E. coli, где растворимый белок дали 15 конструкций из 24; под электронным микроскопом семь из 15 собрались в частицы, похожие на волты, а криоэлектронная микроскопия, где множество копий частицы замораживают и снимают пучком электронов, а затем сводят в одну 3D-модель, подтвердила форму волта лишь у четырёх из этих семи: двух фаговых и двух бактериальных. L05 взяли для детальной структуры потому, что он лучше других давал целые замкнутые частицы.

Метод выделения и есть то место, где модель сначала была против. Классический способ для волтов эукариот прогоняет образец через пробирку с сахаром растущей плотности и занимает около трёх суток. Команда решила попробовать гель-фильтрацию: образец идёт через колонку с пористыми шариками, мелкие молекулы застревают в порах, а волты для пор слишком велики и выходят первыми. Claude отговаривал, потому что в той же первой фракции выходят и комки неправильно сложившегося белка. Команда пошла своим путём, и дальше модель подсказала конкретную колонку и способы следить за белком волта и проверять, собрались ли частицы. Затем Claude предложил грузить на колонку содержимое разрушенных клеток напрямую, без предварительной очистки. Этого не хотели делать: колонки дорогие, а сырой лизат E. coli способен их забить. Сработало - путь от клеток до сетки для микроскопа занял около 90 минут. Anthropic оговаривается, что выделять волты на колонках пробовали и до неё.

Обработку данных микроскопии вели тоже под руководством людей: во внутренней многоагентной обвязке с доступом к внутренним вычислениям Claude развернул открытый RELION и прогонял каждый шаг, а решения по анализу принимала команда. Полная первая модель была готова через 34 часа, финальные карты - примерно через неделю после начала обработки. В твите о работе Anthropic добавляет, что по дороге Claude допускал простые ошибки, и разбирались с ними вместе с исследователями машинного обучения. Собственными замерами лаборатория мерила свою работу и в октябре, когда время проверки производственной документации в Enveda сократилось на 89%.

Переделки стенки и неопознанная молекула

Раз частицу удаётся делать в лаборатории и быстро выделять, её стали менять. Вместе с Claude сделали 15 вариантов белка, в основном с заменами в точках, где соседние копии соприкасаются. Отдельных замен рядом с крышкой хватало, чтобы оболочка не закрывалась: вместо замкнутых волтов в препарате появлялись открытые частицы, похожие на розетки. Обратный опыт - удвоение двух сегментов стенки, после которого их стало девять, как у человеческого волта, - дал частицы крупнее, с объёмом примерно на 20% больше. По Anthropic, так волты и могли менять размер по ходу эволюции, копируя куски собственной стенки и не ломая сборку.

Ещё одну деталь объяснить пока не получается. В кармане каждой из 96 копий белка сидит небольшая молекула, которая чётко видна на карте, но не опознана. Claude нашёл, что по форме она похожа на кофермент A, вспомогательную молекулу, которой клетки переносят химические группы. Если это он или что-то близкое, это был бы первый намёк на функцию.

Почему функция до сих пор не найдена

Волты есть почти во всех клетках нашего тела и у большей части эукариот, от слизевиков до человека, и это главный аргумент в пользу того, что они зачем-то нужны. Им приписывали перенос молекул между ядром и цитоплазмой, защиту от токсичных веществ вроде противораковых препаратов и участие во врождённом иммунитете, но ни одно предположение не подтвердилось. Мыши без волтов живут, из чего следует, что волты могут быть нужны только в определённых условиях. Мешает и то, что их нет у организмов, на которых биологи обычно ставят генетические опыты: у пекарских дрожжей, плодовых мушек и нематод.

Структуры и дополнительные данные Anthropic обещает выложить позже. Роума, открывшего волты, лаборатория привлекла консультантом, и структуру ему показали. «Разобраться, зачем нужны волты, по-прежнему чрезвычайно сложно», - сказал он. Он добавил, что рад объёму хороших данных у Anthropic, что теперь над задачей будут работать и другие и что широта находок говорит о сложной функции и интересном пути к ней.