Специалисты Физического факультета ЮФУ создали модель, описывающую принцип самосборки вирусных частиц. Оказалось, что белковые молекулы в составе оболочки стремятся расположиться как можно более компактно. Такой принцип работает для многих известных вирусов, а также позволяет описать процесс их созревания в клетке. Работа учёных позволит создать новые препараты, нарушающие сборку вируса, а также наноконтейнеры для доставки лекарств.
Все вирусы стремятся распространить свой генетический материал, для чего они должны попасть в клетки организма-хозяина. В любом вирусе нуклеиновая кислота (ДНК или РНК) хранит и передает генетическую информацию, а внешняя белковая капсула (капсид), защищает геном. Помимо этого, некоторые возбудители могут иметь дополнительную липидную оболочку, упрощающую вход вируса в клетку, которая также покрыта липидной оболочкой.
Капсид, состоит из множества белковых молекул, которые объединены в одинаковые по форме комплексы — капсомеры. В зависимости от того, сколько молекул в них входит, они называются по-разному: две — димеры, три — тримеры, пять — пентамеры, шесть — гексамеры.
«Во многих вирусах капсомеры, будучи определённым образом упакованы, формируют правильный икосаэдр(многогранник). При этом пентамеры расположены в вершинах икосаэдра, а гексамеры – на его гранях. Однако до сих пор не было известно, по каким правилам размещаются структурные элементы оболочки зрелой вирусной частицы, если она состоит лишь из одного типа капсомеров, которые к тому же не являются ни пентамерами, ни гексамерами», – рассказал руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Сергей Рошаль, доктор физико-математических наук, профессор кафедры «Нанотехнология» ЮФУ.
Учёные из ЮФУ с зарубежными коллегами определили принцип, обеспечивающий правильную сборку подобных вирусных капсидов. Для этого они рассмотрели процесс сборки с точки зрения математики, обобщив задачу о плотной упаковке дисков на поверхности сферы. В рамках этой задачи, которая называется проблемой Таммеса, требуется найти такое взаимное расположение заданного числа дисков, чтобы их как можно больше поместилось на поверхности шара.
Фото: пресс-служба ЮФУ
«Оказалось, что рассматриваемые вирусные капсиды как раз представляют собой системы с максимально плотной упаковкой капсомеров при ограничениях, накладываемых икосаэдрической симметрией. С некоторым приближением капсомер можно рассмотреть, как несколько одинаковых перекрывающихся дисков. А капсомеры в структуре располагаются так, чтобы центры тяжести отдельных белковых молекул, принадлежащих соседним капсомерам, совпадали с центрами дисков и были равноудалены друг от друга» - рассказал Сергей Рошаль.
Исследователи доказали, что предложенная модель работает для различных вариантов упаковки вирусных частиц — когда капсомеры представляют собой димеры, то есть две связанные между собой молекулы белка, и тримеры, состоящие, соответственно, из трёх молекул. При этом димерная структура характерна для зрелых частиц флавивирусов, например, вируса Денге, вызывающего лихорадку. Капсиды на основе тримеров, напротив, встречаются у «молодых» вирусов, которые находятся в инфицированных клетках, но не могут выйти из них до того момента, пока не созреют. Процесс созревания у вируса Денге и других флавивирусов заключается в перестройке капсида из тримерного в димерный.
Учёные определили, что эта перестройка происходит за счёт того, что заряд белков, составляющих оболочку, меняется при изменении кислотности среды, а именно, когда вирус «путешествует» от центра клетки к мембране. Из-за этого силы взаимодействия между белками становятся несбалансированными, и структура, состоящая из тримеров становится энергетически менее выгодной, чем состоящая из димеров, в которую и начинает перестраиваться капсид.
Фото: пресс-служба ЮФУ
«Зная, по каким правилам собирается и перестраивается вирусный капсид, можно разрабатывать новые способы доставки лекарств, например, специальные наноконтейнеры на основе вирусов. Кроме того, смоделированный нами механизм созревания капсида можно использовать для борьбы с вирусными инфекциями, если с помощью особых препаратов нарушить этот процесс», — отметил Сергей Рошаль.
Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в научном журнале Nanoscale Advances.
