Как вирус формирует свои симметричные оболочки
Вирусы — мелкие паразиты, вызывающие болезни, — хорошо изучены, но многие загадки остаются. Одна из них: как сферический вирус преодолевает энергетические барьеры, чтобы сформировать симметричную оболочку.
Исследовательская группа под руководством физика Ройи Занди из Калифорнийского университета в Риверсайде достигла прогресса в решении этой загадки. Команда сообщает в статье, опубликованной в ACS Nano, что взаимодействие энергий на молекулярном уровне делает формирование оболочки возможным.
Понимание факторов, способствующих сборке вируса, может позволить попытки заблокировать его репликацию и заражение. Лучшее понимание того, как формируются вирусные оболочки — природные наноконтейнеры, — жизненно важно для материаловедов и является ключевым шагом в проектировании искусственных нанооболочек, которые могут служить средствами доставки лекарств к конкретным целям в организме.
Команда Занди исследовала роль концентрации белка и упругой энергии в самоорганизации белков на искривлённой поверхности оболочки, чтобы понять, как вирус преодолевает множество энергетических барьеров.
«Понимание совокупного эффекта упругой энергии, взаимодействия генома с белком и концентрации белка при сборке вируса составляет прорыв нашей работы», — сказала Занди, профессор кафедры физики и астрономии. «Наше исследование показывает, что если из-за высокой концентрации белка или сильного притягивающего взаимодействия формируется неупорядоченная оболочка, то по мере её роста стоимость упругой энергии становится настолько высокой, что несколько связей могут разорваться, что приведёт к разборке и последующей пересборке симметричной оболочки».
Что такое вирус?
Простейший физический объект в биологии, вирус состоит из белковой оболочки, называемой капсидом, которая защищает его геном из нуклеиновой кислоты — РНК или ДНК. Вирусы можно рассматривать как мобильные контейнеры РНК или ДНК, которые вставляют свой генетический материал в живые клетки. Затем они захватывают репродуктивный аппарат клеток, чтобы воспроизвести собственный геном и капсид.
Формирование капсида — один из самых важных этапов процесса вирусной инфекции. Капсид может быть цилиндрической или конической формы, но чаще он принимает структуру икосаэдра, похожую на футбольный мяч.
Икосаэдр — это геометрическая структура с 12 вершинами, 20 гранями и 30 рёбрами. Официальный футбольный мяч — это разновидность икосаэдра, называемая усечённым икосаэдром; он имеет 32 панели, вырезанные в форме 20 шестиугольников и 12 пятиугольников, причём пятиугольники отделены друг от друга шестиугольниками.
Сборка вируса плохо изучена, потому что вирусы очень малы, измеряются в нанометрах (нанометр — одна миллиардная метра). Сборка также происходит очень быстро, обычно за миллисекунды (миллисекунда — одна тысячная секунды). Для понимания того, как растёт вирус, необходима теоретическая работа и моделирование.
«Вирусная оболочка высокосимметрична, — сказала Занди. — Если один пятиугольный дефект образуется в неправильном месте, это нарушает симметрию. Несмотря на эту чувствительность, вирусные оболочки часто собираются в чётко определённые симметричные структуры».
Нано-средства доставки
Занди пояснила, что из-за нехватки экспериментальных данных процесс сборки вируса плохо изучен. Новая работа показала, что упругие свойства белков капсида и притягивающее взаимодействие между ними идут рука об руку, образуя высокосимметричные конфигурации, которые энергетически очень стабильны.
«Тонко настраивая эти параметры, мы можем контролировать конечную структуру и стабильность вирусных капсидов, — сказала она. — Эти вирусные капсиды можно использовать в качестве наноконтейнеров для транспортировки лекарств в качестве груза к конкретным целям. Их высокая перспективность для целей доставки лекарств и генов обусловлена их стабильностью, высокой эффективностью поглощения и низкой токсичностью».
Уже сейчас некоторые экспериментальные группы работают с фармацевтическими компаниями над разработкой лекарств, которые мешают или блокируют сборку вируса. Её лаборатория работает с международными коллабораторами над разработкой симуляций для лучшего понимания сборки вируса.
«Понимание факторов, влияющих на стабильность конечных вирусных структур, может сделать процессы доставки лекарств более управляемыми», — сказала она.