У вирусов можно научиться: молекулярные волокна помогают вводить генетический материал в клетки

Патогенные вирусы, попадающие в организм человека, могут прикрепляться к клеткам с помощью щупалец, после чего клетка поглощает вирусы. Этот уже известный процесс, который происходит, например, при ВИЧ, можно использовать и в терапевтических целях.

В так называемой «генной терапии» цель — ввести генетический материал в клетки. Это позволяет решать различные задачи: дефектные гены, как при наследственных заболеваниях, можно заменить, чтобы восстановить функцию клетки. Другой пример — Т-клетки, иммунные клетки организма, которые можно перепрограммировать для атаки на рак. Во всех случаях необходим эффективный транспорт генетического материала в клетку.

Исследователи используют эту способность вирусов проникать в клетки. Важным строительным блоком для этого служат белковые отростки на оболочке вируса: они обеспечивают прикрепление вирусных частиц к клетке.

Ученые под руководством директора Таньи Вайль и руководителя группы Кристофера Синатчке из Института полимерных исследований Макса Планка детально изучили небольшой фрагмент этих белковых отростков на разных масштабах. Молекула — так называемый «пептид» — состоит из химического соединения различных аминокислот. Несколько таких молекул, соединенных вместе, могут образовывать длинные спагетти-подобные структуры, называемые «пептидными волокнами».

Эти волокна могут служить своего рода «клеем» между терапевтическими вирусами и клеточными оболочками, улучшая процесс поглощения вируса клетками. Улучшенное связывание может снизить необходимую для генной терапии вирусную дозу и повысить шансы на успешное лечение.

Команда исследовала, как молекулярный состав из разных аминокислот влияет на свойства формирования структур: то есть, как молекулярная структура влияет на образование волокон или связывание вируса с клеткой.

Для этого они изучили более 150 различных молекул на основе исходного белкового фрагмента. Чтобы получить такое разнообразие, они систематически заменяли отдельные аминокислоты или меняли их местами внутри молекулы.

«Некоторые из более чем 150 изученных пептидов действительно усиливали связывание вирусной оболочки с клеткой. В других случаях вообще не образовывались агрегаты волокон, которые могли бы обеспечить связывание», — сказала Кюбра Кайгисиз, первый автор публикации.

«Мы попытались выяснить, какие химические свойства молекул в первую очередь ответственны за связывание», — добавляет Кристофер Синатчке.

«С помощью вычислительных методов в нашем экспериментальном исследовании мы смогли определить различные свойства, которые обеспечивают эффективный перенос генов», — говорит Кайгисиз. «Неожиданно оказалось, что наши молекулы также должны вести себя водоотталкивающим — гидрофобным — образом, а также иметь чередующееся расположение гидрофобных групп с положительно заряженными внутри молекулы, чтобы усилить связывание вируса».

Этот принцип также был обнаружен в других встречающихся в природе белковых фрагментах, что указывает на универсальную взаимосвязь «свойство–активность». Это позволило искусственному интеллекту предсказывать новые волокнистые материалы.

Исследование опубликовано в журналах Nature Communications и Biomaterials Science.

Эти результаты могут сделать генную терапию более эффективной в будущем: необходимость использовать меньшее количество препарата из-за большего поглощения клеткой может значительно повысить шансы на успех терапии.