Российские ученые 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, например, вируса Денге, а также позволяет описать процесс их созревания в клетке. Благодаря этому модель поможет создать не только новые препараты, нарушающие сборку вируса, но и наноконтейнеры для доставки лекарств.
Модели капсидов с разной плотностью упаковки тримеров
© Rochal et al. / Nanoscale Advances, 2022
Вирусы, в отличие от всех известных живых существ, для своего размножения нуждаются в клетках организма-хозяина. Они состоят лишь из нуклеиновой кислоты (ДНК или РНК), которая хранит и передает генетическую информацию, и белковой капсулы, необходимой для защиты генома. Кроме того, у некоторых возбудителей, например, у вируса гриппа, есть дополнительная наружная оболочка, состоящая из липидов и упрощающая вход вируса в клетку, которая также покрыта липидной мембраной.
Обязательная белковая оболочка в форме многоугольника, или капсид, состоит из белковых молекул, объединенных в одинаковые по форме комплексы. В зависимости от того, сколько молекул входит в последние, они называются по-разному: две — димеры, три — тримеры, пять — пентамеры, шесть — гексамеры. Тип комплекса определяет то, где он будет в белковой оболочке. Так, если капсид составлен пентамерами и гексамерами, то первые расположатся на вершинах многоугольника, а вторые — на его гранях. Однако до сих пор не было известно, как же разместятся у зрелого вируса «кирпичики» из меньшего числа молекул, особенно если они все будут одного типа.
Ученые из Южного федерального университета (Ростов-на-Дону) с зарубежными коллегами определили принцип, обеспечивающий правильную сборку подобных вирусных капсидов. Для этого исследователи рассмотрели процесс с точки зрения математики, применив к нему задачу о плотной упаковке дисков на поверхности сферы. В рамках этой задачи требуется найти такое взаимное расположение заданного числа дисков, чтобы их как можно больше поместилось на поверхности шара.
Оказалось, что рассматриваемые вирусные белковые оболочки капсиды как раз представляют собой системы с максимально плотной упаковкой. Чтобы эта структура сформировалась, белковые комплексы должны располагаться так, чтобы центры тяжести отдельных молекул, принадлежащих соседям, были равноудалены друг от друга. Подобный принцип укладки можно объяснить тем, что в этом случае силы взаимодействия комплексов друг с другом уравновешены, и упаковка характеризуется минимумом свободной энергии.
Авторы доказали, что предложенная модель работает для различных вариантов упаковки вирусных частиц, когда их «кирпичики» представляют собой димеры и тримеры, то есть комплексы из двух и трех молекул. При этом димерная структура характерна для зрелых частиц флавивирусов, например вируса Денге, вызывающего лихорадку. Белковые оболочки на основе тримеров, напротив, встречаются у «молодых» патогенов, 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 белковой оболочки из тримерной в димерную. Ученые определили, что это происходит за счет 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, оказывается энергетически менее выгодной, чем состоящая из димеров, в которую и начинает перестраиваться капсид.
«Зная, по каким правилам собирается и перестраивается вирусная белковая оболочка, можно разрабатывать новые способы доставки лекарств, например, специальные наноконтейнеры на основе вирусов. Кроме того, смоделированный нами механизм созревания белковой оболочки можно использовать для борьбы с вирусными инфекциями, если нарушить его с помощью особых препаратов», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Сергей Рошаль, доктор физико-математических наук, профессор кафедры «Нанотехнология» Южного федерального университета.
Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Nanoscale Advances
Информация взята с портала «Научная Россия» (https://scientificrussia.ru/)
