Необычные способы использования клеточных мембран вирусами и паразитами для распространения — и как ученые борются с этим

Клеточные мембраны составляют внешнюю оболочку всех клеток и являются базовой структурой большинства живых организмов. Однако они также могут помогать паразитам выживать в организме человека, играть важную роль в росте рака и окружать, защищая смертоносные вирусы, включая вызывающий COVID. Ученые стремятся понять, как работают бислои (двухслойные клеточные мембраны), и можно ли их использовать для разработки новых лекарств против инфекций.

Долгое время было известно, что живые клетки окружены жировым слоем, разделяющим разные клетки. Это хорошо видно в клетках кожицы красного лука, где краситель, придающий луку характерный цвет, содержится внутри этих слоев. Основываясь на предыдущих работах, Сеймур Сингер и Гарт Николсон в 1972 году предложили структуру этого слоя, назвав ее жидкостно-мозаичной моделью.

Их модель с тех пор объясняет многие особенности живых организмов. Бислой является частью структуры и функции многих вирусов, таких как грипп и SARS-CoV-2. Вирусные частицы могут использовать его в качестве защитного слоя, который помогает им распространяться. Например, можно проследить, как вирусная частица SARS-CoV-2 проникает в клетку легкого и что происходит дальше.

Когда такая вирусная частица попадает в клетку легкого, она высвобождает свою рибонуклеиновую кислоту (РНК) — одноцепочечный генетический код. Он транслируется в вирусные белки на шарообразных структурах — рибосомах, прикрепленных к мембранам внутри клетки-хозяина. Затем эти вирусные белки транспортируются в другую часть клетки — аппарат Гольджи, который заключает их в липидные (жировые) бислои. Далее они совершают дальнейшее путешествие, сливаясь с поверхностной мембраной клетки, прежде чем окончательно покинуть ее — процесс, известный как экзоцитоз.

Покидая клетку, вирус уносит с собой часть мембран клетки-хозяина. И вирус — теперь обладающий защитным слоем — попытается заразить другую клетку легкого или будет высвобожден в воздух при дыхании или кашле.

Нарушение работы вируса

Биохимики из команды под руководством Валери О'Доннелл из Кардиффского университета пытаются узнать больше об этом бислое в надежде, что можно будет разработать лекарства для борьбы с самим вирусом. Выращивая вирус COVID в лаборатории и извлекая из него липиды, они обнаружили, что его поверхностная мембрана сильно отличается от мембраны поверхности клетки-хозяина — в ней гораздо меньше холестерина и сфингомиелина (жирового липидного компонента) и гораздо больше липидов, способных усиливать свертывание крови.

Рассматривая способ, которым вирус приобретает свою мембрану, можно предположить, что ряд препаратов может быть использован для нарушения этого пути. Так уже делали раньше. Ученые, работавшие с туберкулезной палочкой в 1950-х годах, показали, что определенные безвредные детергенты нарушают вызываемую ею туберкулезную инфекцию. В случае с COVID повсеместное мытье рук, использование антисептика для рук и полоскание рта атаковали бислой вируса и разрушали его.

Возможно, в результате мутации вирус создаст новый штамм с более прочным бислоем. Лаборатория в Кардиффе изучает липидный состав разных штаммов, и результаты могут указать на новые пути эволюции вирусов и их лечения.

Другие роли бислоев

Бислои также участвуют в заражении человека такими заболеваниями, как шистосомоз (также известный как бильгарциоз). Инвазионные личинки, плавающие в воде, проникают в кожу человека, и бислой на поверхности личинки немедленно меняется на уникальный двойной слой, чтобы позволить ей выжить в человеческой крови. Затем личинка покрывает себя липидами из этой крови, и ученые предполагают, что это маскирует ее мембрану от иммунного ответа хозяев — то есть нас.

Другая гипотеза, выдвинутая учеными из Египта о прочности этого двойного бислоя, связана с количеством сфингомиелина, который, как они обнаружили, защищает мембрану, образуя водородные связи на поверхности. Считается, что это предотвращает доступ иммунных антител и клеток. Уменьшение количества сфингомиелина с помощью арахидоновой кислоты — жирной кислоты, содержащейся в организме и также используемой в некоторых добавках — может действовать как лекарство против болезни. Обычно ее используют в комбинации с другим препаратом под названием празиквантел, который атакует мембрану паразита.

Одним исключением из общего правила о наличии бислоев во всех живых клетках являются паразитические и почвенные нематоды. Их огромное количество встречается в почве: те, что не поражают другие растения или животных, например, Caenorhabditis, а также многочисленные другие виды паразитов животных и растений в тропиках и умеренных зонах. У этих организмов поверхность устроена так, что липиды, как полагают, расположены в необычных гексагональных структурах, образуя крупные рафты, что создает альтернативную структуру по сравнению с бислоем, характерным для большинства клеток.

Изучение липидов может удивлять нас и приводить к новым идеям о жизни и ее структуре, но также, что особенно важно, к разработке лекарств, способных нарушать структуру липидных мембран патогенов, раковых клеток и других инфекций человека.