Биология

Созревание бактериофага описали с помощью физической модели

Бактериофаг

Purdue University and Seyet LLC

Физики из России и Словении построили численную модель, предсказывающую изменение формы оболочки поражающего бактерий вируса и описали его сборку и созревание. Изучение физико-химических процессов, происходящих при формировании вириона, способного инфицировать клетки, может стать ключом к контролю за распространением вирусов. Результаты работы опубликованы в журнале Soft Matter.

Нет однозначного ответа, относятся ли вирусы к живым организмам. С одной стороны, как и все живые организмы, вирус стремится создать потомство, чтобы передать свой генетический материал. С другой — он не способен существовать самостоятельно и активируется только в хозяйской клетке, используя ее ресурсы и питательные вещества. Фактически вирус состоит из белковой оболочки, внутри которой находится генетический материал, и самособирается за счет естественных физико-химических процессов. Объяснить с точки зрения физики явления, проходящие в вирусах, стремится относительно молодая наука — физическая вирусология.

Чтобы попасть внутрь клетки, вирус связывается со специфическими белками на ее поверхности и формирует в клеточной мембране отверстие. После проникновения в клетку геном вируса захватывает и перекодирует ее клеточный аппарат, начиная собственное размножение, а также генерирует специальные белки, используемые для самосборки оболочек «новорожденных» вирусов. Такие оболочки сферической или икосаэдрической формы называют прокапсидами. Зрелый вирион, способный инфицировать новые клетки, образуется после упаковки в эту оболочку вирусного генома. В ходе этого процесса вирусная оболочка меняет свою форму и созревает, проходя промежуточные состояния между прокапсидом и зрелым капсидом. Незрелый капсид сильно подвержен влиянию окружающей среды (кислотности, температуры, солености и других факторов), что позволяет проводить множество экспериментальных исследований. Варьируя параметры среды, можно добиться изменения формы и даже «саморазборки» оболочки. Поэтому, изучая физико-химические явления, происходящие во время созревания вирусов, специалисты смогут повлиять на процесс их сборки и препятствовать дальнейшему заражению.

Ученые из Южного федерального университета совместно с профессором Института Йозефа Стефана (Любляна) Рудольфом Подгорником построили физическую модель, с помощью которой воспроизвели процесс сборки и созревания бактериофага φ6 — вируса, поражающего микробов. Он обладает двойной белковой оболочкой и во время созревания проходит два промежуточных состояния (Intermediate 1 и Intermediate 2), что делает его удобным «подопытным» для экспериментов. Переходы между этими состояниями и капсидом обратимы, и в определенных условиях сегменты вирусного генома могут быть извлечены из капсида, в результате чего оболочка возвращается в промежуточное состояние 1 или 2. Кроме того, в отличие от большинства вирусов, которые после сборки имеют сферическую форму, а после созревания становятся икосаэдрически гранеными, оболочка φ6 додекаэдрическая, но на ранних стадиях грани вогнутые, а на поздних форма капсида приближается к сферической.

Четыре формы оболочки вируса φ6 (a-d) соответствуют состояниям прокапсида, Intermediate 1, Intermediate 2 и капсида (зрелого вируса). Во время необратимой трансформации a-b внутренний объем прокапсида увеличивается на 112% за счет упаковки первого сегмента генома. В ходе преобразований b-c-d оставшиеся два сегмента упаковываются с увеличением объема на 11% и 6% соответственно. При извлечении всех сегментов генома из оболочки ее форма и размер возвращаются к состоянию b

Nemecek et al

С помощью расчетов ученым удалось с хорошей точностью воспроизвести формы тех состояний, которые наблюдались в экспериментах. Согласно предложенной модели, спусковым крючком для необратимой трансформации прокапсида является отделение от его стенок определенных белков, а обратимые изменения формы происходят из-за механического давления упакованного генома на оболочку. Геном φ6 состоит из трех различных сегментов, каждый из которых необходим для того, чтобы вирус смог заразить клетку и размножаться в ней. Эти сегменты последовательно упаковываются в оболочку, меняя ее форму. После упаковки s — самого короткого сегмента РНК — прокапсид переходит в состояние Intermediate 1, когда грани додекаэдрической оболочки становятся менее вогнутыми, а ее объем увеличивается более чем в два раза. Упаковка сегмента m сопровождается дальнейшим выпячиванием и небольшим увеличением объема (Intermediate 2). И наконец, упаковка последнего, l-сегмента РНК приводит к образованию зрелого капсида немного большего размера и почти сферической формы.

«Мы построили микромеханическую модель, объясняющую, как форма оболочки меняется при упаковке генетического материала. Это происходит за счет работы специального белка-мотора, и нуклеиновая кислота удерживается внутри с помощью электростатических взаимодействий. Понимать, как собирается вирусная оболочка, важно, так как это физико-химический процесс, на который можно как-то повлиять, в том числе вернуть вирус на предыдущие стадии развития, пока он не стабилизировался. Так, экспериментально доказано, что если в систему добавить немного поваренной соли, то РНК выйдет из вирусной оболочки. У этого есть физическое объяснение: стенки оболочки вируса имеют положительный заряд, а его РНК — отрицательный. Соль в растворе диссоциирует на положительно и отрицательно заряженные ионы, которые уменьшают электростатическое взаимодействие между РНК и поверхностью стенки. Генетический материал начнет слабее прилипать к оболочке и будет выдавливаться из нее, — поясняет один из исследователей, профессор кафедры нанотехнологии физического факультета ЮФУ Сергей Рошаль. — Созревание вируса похоже на обычные фазовые переходы в кристаллах. Во время него меняется структура и форма оболочки, какие-то детали белков отделяются, и в результате получается вирион — вирус, вне клетки способный работать против нас».

Понравился материал? Добавьте Indicator.Ru в «Мои источники» Яндекс.Новостей и читайте нас чаще.

Пресс-релизы о научных исследованиях, информацию о последних вышедших научных статьях и анонсы конференций, а также данные о выигранных грантах и премиях присылайте на адрес science@indicator.ru.