Введение
Вид вируса M13 является одним из фагов Ff (fd и f1 – другие), относящимся к семейству нитевидных бактериофагов (иновирусов). Фаги Ff состоят из кольцевой одноцепочечной ДНК (ssDNA), которая в случае фага m13 имеет длину 6407 нуклеотидов и заключена примерно в 2700 копий основного белка капсида p8, а также увенчана примерно 5 копиями каждого из четырех различных минорных белков капсида (p3 и p6 на одном конце и p7 и p9 на другом). Минорный белок капсида p3 прикрепляется к рецептору на кончике F-пилюса бактерии-хозяина Escherichia coli. Жизненный цикл относительно короткий: раннее потомство фагов покидает клетку через десять минут после заражения. Фаги Ff являются хроническими фагами, высвобождающими потомство, не вызывая гибели клеток-хозяев. Инфекция вызывает мутные бляшки в покровах E. coli, имеющие промежуточную степень опалесценции по сравнению с бляшками лизиса. Однако в инфицированных клетках наблюдается замедление скорости роста. Репликативная форма M13 представляет собой кольцевую двухцепочечную ДНК, аналогичную плазмидам, используемым во многих процессах рекомбинантной ДНК, и этот вирус также применяется в фаговом дисплее, направленной эволюции, для создания наноструктур и в нанотехнологиях.
M13 is one of the Ff phages (fd and f1 are others), a member of the family filamentous bacteriophage (inovirus). Ff phages are composed of circular single stranded DNA (ssDNA), which in the case of the m13 phage is 6407 nucleotides long and is encapsulated in approximately 2700 copies of the major coat protein p8, and capped with about 5 copies each of four different minor coat proteins (p3 and p6 at one end and p7 and p9 at the other end). The minor coat protein p3 attaches to the receptor at the tip of the F pilus of the host Escherichia coli. The life cycle is relatively short, with the early phage progeny exiting the cell ten minutes after infection. Ff phages are chronic phage, releasing their progeny without killing the host cells. The infection causes turbid plaques in E. coli lawns, of intermediate opacity in comparison to regular lysis plaques. However, a decrease in the rate of cell growth is seen in the infected cells. The replicative form of M13 is circular double stranded DNA similar to plasmids that are used for many recombinant DNA processes, and the virus has also been used for phage display, directed evolution, nanostructures and nanotechnology applications.
Фаговые частицы
Фаговый слой в основном состоит из 50 аминокислотного белка, называемого p8, который кодируется геном 8 в геноме фага. Для вирусной частицы дикого типа M13 требуется приблизительно 2700 копий p8 для формирования слоя длиной около 900 нм. Размеры слоя гибкие, поскольку количество копий p8 подстраивается под размер одноцепочечного генома, который он упаковывает. Фаги, по-видимому, ограничены примерно в два раза по сравнению с естественным содержанием ДНК. Однако делеция фагового белка (p3) препятствует полному высвобождению из клетки-хозяина E. coli, и можно наблюдать фаги, длина которых в 10-20 раз превышает нормальную, содержащие несколько копий генома фага, выделяющиеся из клетки E. coli. На одном конце филамента находится до пяти копий поверхностного белка (p9) и менее доступного компаньон-белка (p7). Если p8 формирует стержень фага, то p9 и p7 формируют "тупой" конец, видимый на микрофотографиях. Эти белки очень малы, содержат всего 33 и 32 аминокислоты соответственно, хотя к N-концевой части каждого из них могут быть добавлены дополнительные остатки, которые затем экспонируются на внешней стороне оболочки. На другом конце фаговой частицы находятся пять копий поверхностного белка (p3) и его менее доступного вспомогательного белка (p6). Они формируют округлый кончик фага и являются первыми белками, взаимодействующими с клеткой E. coli во время инфекции. Белок p3 также является последней точкой контакта с хозяином при почковании нового фага с поверхности бактерии. Производство фаговых частиц стимулирует рост и деление клетки-хозяина, но не приводит к ее лизису. После того, как положительная одноцепочечная ДНК проникла в клетку, она дублируется, образуя двухцепочечную ДНК, которая затем используется для транскрипции мРНК, необходимой для синтеза белков.
Исследования
Джордж Смит и другие показали, что фрагменты эндонуклеазы EcoRI можно встраивать в уникальный сайт Bam нитевидного фага f1, обеспечивая экспрессию в гене 3, чей белок p3 доступен на поверхности. У фага M13 нет этого уникального сайта Bam в гене 3. Для создания доступных мест для вставки фаг M13 необходимо было модифицировать, что ограничивало его гибкость при работе с вставками разного размера. Благодаря тому, что система фагового дисплея M13 обеспечивает большую гибкость в расположении и количестве рекомбинантных белков на фаге, она является популярным инструментом для создания или использования в качестве каркаса для наноструктур. Например, фаг можно сконструировать так, чтобы на каждом конце и по всей длине располагались различные белки. Это можно использовать для сборки структур, таких как нанопроволоки из золота или оксида кобальта для батарей, или для упаковки углеродных нанотрубок в прямые пучки для применения в фотоэлектрических устройствах. Капсид M13 также является первой полной структурой вируса, полностью определенной методом твердотельной ЯМР-спектроскопии.