Прорыв в микроскопии раскрывает секреты сборки растительного вируса

Новое исследование процесса сборки растительного вируса может заложить основу для его будущего использования в качестве средства доставки лекарств в организм человека.

Исследование, проведенное командой из Центра структурной молекулярной биологии Астбери Университета Лидса и Центра Джона Иннеса в Норидже, описывает структуру пустой версии вируса мозаики коровьего гороха (Cowpea Mosaic Virus, CPMV) и молекулярный «клей», который позволяет вирусу самоорганизовываться и упаковывать свой геном.

Результаты, опубликованные в журнале Nature Communications и основанные на революционно новой электронной микроскопии, могут стать решающим шагом на пути к созданию учеными модифицированных версий вируса, способных доставлять лекарства и нацеливаться на заболевания.

Ведущий автор работы, доктор Нил Рэнсон, доцент структурной молекулярной биологии Университета Лидса, заявил: «Чтобы использовать вирус мозаики коровьего гороха в качестве средства доставки лекарств, нам нужно понять, как он собирается. Для этого нам необходимы детальные данные о его структуре в растворе. Еще пару лет назад это было невозможно. Однако новое поколение электронных микроскопов революционизирует нашу способность заглянуть во внутреннюю работу вируса».

Исследование рассматривает ключевые шаги к пониманию того, как можно создавать безопасные вирусоподобные частицы растительного происхождения.

Доктор Рэнсон пояснил: «Наша цель — понять, как вирус собирается из очень простых строительных блоков. Если мы это поймем, мы сможем эффективно заставить вирус упаковывать лекарства и нацеливать их на конкретные места или заболевания в организме человека, например, на раковые клетки. Растительные вирусы идеально подходят для такой работы — они находятся на огромном эволюционном расстоянии от нас. Ими нельзя заразиться».

В статье показана структура пустой оболочки вируса с беспрецедентной детализацией, включая часть белка, которая необходима для сборки, но ранее никогда не наблюдалась. Вирусоподобные частицы, созданные коллегами из Центра Джона Иннеса, не содержат генома и, следовательно, не способны к размножению или мутации.

«Мы имеем дело с элегантными, высокоэффективными и стабильными структурами, эволюционировавшими до уровня совершенства, с которым пока не могут соперничать искусственные конструкции. В будущем мы могли бы изменить последовательности на их белковых оболочках и перенацелить их на нужные заболевания», — сказал доктор Рэнсон.

Работа стала продуктом революции в электронной микроскопии — «революции разрешения», — которая трансформирует уровень детализации, доступный структурным биологам. Она включает одни из самых детальных структур белковых комплексов, полученных с помощью электронного микроскопа, и на их основе проведен детальный анализ того, как вирус CPMV самоорганизуется.

Исследователи показали, как вирус строит высокосимметричную белковую оболочку из пятиугольных «пентамеров», каждый из которых состоит из пяти копий белковой субъединицы. В основе процесса сборки лежит сегмент ключевого белка — C-концевой участок малой субъединицы капсидного белка, — который действует как капля молекулярного клея, удерживая пентамеры вместе при построении внешней структуры вируса.

Этот C-концевой участок также необходим для упаковки генов вируса, но он отщепляется после выполнения своей функции. Это делало невозможным его наблюдение с помощью других структурных методов, таких как рентгеновская кристаллография.

Доктор Эмма Хескет, научный сотрудник Университета Лидса и первый автор статьи, отметила: «Базовый блок очень прост, поэтому вирусу требуется очень мало информации для создания большой белковой оболочки. CPMV известен построением очень стабильной структуры, которая легко не разрушается. Эта стабильность необходима, если такие структуры должны пережить процесс производства лекарств и попадание в организм человека».

«Новые электронные микроскопы, использованные в этом исследовании, позволили нам детально рассмотреть этот сегмент и понять его реальную роль», — сказала доктор Хескет.

Команда использовала микроскопы нового поколения с напряжением 300 киловольт, оснащенные камерами прямого детектирования электронов, в Лаборатории молекулярной биологии Совета по медицинским исследованиям (MRC) в Кембридже. Эти микроскопы способны на увеличение более чем в 130 000 раз. Два микроскопа последнего поколения этого типа являются частью инвестиций в размере 17 миллионов фунтов стерлингов в новую лабораторию Астбери и будут установлены в Университете Лидса в следующем году.

«Это оборудование полностью меняет уровень детализации, на котором мы можем взаимодействовать с молекулами. Новые микроскопы не только мощнее, но и стабильнее, и имеют сенсоры, которые напрямую детектируют электронный пучок, а не делают это косвенно с помощью оптических датчиков, как предыдущее поколение. На практике это означает, что мы впервые видим в атомных деталях отдельные аминокислоты в сложных биологических системах. Это открывает путь к манипулированию этими аминокислотами и вмешательству в функцию молекул с беспрецедентной точностью».