Новая модель оболочки вирусов поможет при разработке лекарств

Ученые разработали новую модель вирусной белковой оболочки, в которой белковые молекулы образуют плотную упаковку. Модель учитывает особенности формы белков, а также образование различных типов связей между соседними молекулами. Модель может быть использована при разработке наноконтейнеров для доставки лекарств. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда, опубликованы в журнале Soft Matter.

Вирусы находятся на границе между живой и неживой природой. Они размножаются с огромной скоростью, но для этого им требуется клетка-хозяин, которая бы копировала их геном и синтезировала белки. ДНК или РНК вируса упакованы в белковую оболочку — капсид. Это очень эффективный контейнер для защиты и адресной доставки генетического материала. Благодаря своей биосовместимости, высокой температурной и механической устойчивости, низкой токсичности и способности к самосборке капсиды вирусов могут использоваться в биотехнологии, например при доставке лекарств к органу и как маркер для изучения живых клеток и тканей.

Исследования механизмов сборки и функции капсидов важны не только для понимания того, как вирус заражает клетки, но и для создания эффективных противовирусных средств, а также для разработки и синтеза белковых наноструктур и их применения в биотехнологиях.

Ученые из Южного федерального университета (Ростов-на-Дону) разработали новую модель вирусных белковых оболочек, которые обычно обладают икосаэдрической симметрией. Она основана на развитом учеными методе получения плотных упаковок асимметричных одинаковых плиток на поверхности сферы. Разработанный метод обобщает известную задачу Таммеса о нахождении плотных упаковок дисков на поверхности сферы. Плитки, моделирующие отдельные молекулы белка, взаимодействуют короткодействующим парным потенциалом, который зависит от расстояния между ними и их взаимной ориентации. Поиск положений плиток, в которых энергия парных взаимодействий минимальна, позволяет получить их плотные упаковки, соответствующие реальным вирусным оболочкам. Используя разработанный подход, авторы смоделировали структуры различных вирусных капсидов в рамках последовательных приближений. Оказалось, что оболочки многих малых сферических вирусов подобны по своему устройству упаковкам дисков или эллипсов. Исследователи нашли не только такие, относительно простые структуры, но и более сложные упаковки, которые отражают неправильную форму вирусных белков в реальных оболочках.

Таким образом, новая модель поиска плотных упаковок асимметричных плиток на сфере — мощный инструмент для анализа структур вирусных капсидов и важный шаг в исследовании универсальных принципов устройства белковых оболочек в целом. «В дальнейшем мы планируем обобщить модель на случай оболочек, собирающихся из двух типов структурных единиц, состоящих из пяти и шести связанных друг с другом белков — так называемых пентамеров и гексамеров. Примерами таких структур являются искусственные и природные наноконтейнеры, а также продукты ошибочной сборки вирусных капсидов. Мы расширим область применимости разработанного подхода и постараемся выявить более общие закономерности, управляющие устройством белковых наноконтейнеров, которые, несомненно, являются ключом к разработке принципиально новых противовирусных препаратов и способов адресной доставки лекарств», — рассказывает руководитель проекта Сергей Рошаль, профессор кафедры «Нанотехнология» Южного федерального университета.

Материал подготовлен при финансовой поддержке Минобрнауки России в рамках федерального проекта «Популяризация науки и технологий».