Как вирусы создают идеально симметричные защитные оболочки

Исследование, проведённое физиком из Калифорнийского университета в Риверсайде, показывает, как вирусы формируют защитные оболочки (капсиды) вокруг своих геномов. Этот процесс, несмотря на свою сложность и хаотичность, неизменно приводит к созданию высокосимметричных икосаэдрических структур.

Что такое геном?

Геном — это полный набор генетического материала в организме. У большинства организмов это ДНК, а у некоторых вирусов — РНК. Геном содержит инструкции, необходимые для роста, функционирования и размножения. В геометрии икосаэдр — это тело с двадцатью равносторонними треугольными гранями. Многие вирусы упаковывают свой геном в икосаэдрическую белковую оболочку, которая обеспечивает стабильность и эффективность при заключении генетического материала.

Профессор Ройя Занди о проекте

«До сих пор большинство исследований были сосредоточены на более простых системах или полагались на искусственные ограничения, — говорит Ройя Занди, профессор физики и астрономии, возглавлявшая проект. — Наше исследование делает значительный шаг вперёд, впервые моделируя спонтанное формирование более крупных и биологически значимых капсидов, особенно структур T=3 и T=4, вокруг гибких геномов».

Что означают T=3 и T=4?

В вирусных капсидах T=3 и T=4 обозначают число триangulation, значение, которое описывает, как белковые субъединицы расположены для создания более крупной, стабильной икосаэдрической структуры. Более высокое число соответствует большему и более сложному капсиду.

Моделирование самосборки вирусных белков

Занди и её коллеги использовали новую модель для имитации ключевых биологических факторов, таких как диффузия белков, гибкость генома и изменение формы, чтобы смоделировать, как вирусные белки самособираются в симметричные оболочки. Их результаты, опубликованные в Science Advances, могут открыть двери для создания синтетических наноконтейнеров для медицинского и биотехнологического применения.

Вирусный геном и самокоррекция

Вирусный геном длиной в 3000 нуклеотидов, состоящий из РНК, может привлечь около 180 белковых субъединиц для формирования стабильной оболочки. Хотя сначала процесс кажется хаотичным, с белками, прикрепляющимися не в тех местах, их эластичность позволяет осуществлять самокоррекцию, поскольку соседние силы разрывают неверные связи. Эта динамика приводит к правильной икосаэдрической структуре типа T=3, напоминающей футбольный мяч.

Роль генома в формировании капсида

В лаборатории белки могут собираться в неправильные оболочки, если нет генома или если длина генома не соответствует оболочке. Эти результаты подчёркивают решающую роль генома и важность физической самокоррекции для достижения правильной икосаэдрической симметрии.

Симметрия и стабильность

Икосаэдрическая симметрия — наиболее эффективный способ создания прочного контейнера из множества одинаковых частей. Располагая эластичные белковые субъединицы идеально симметрично, вирус создаёт оболочку, которая одновременно очень стабильна и требует минимального количества строительных блоков. Такая конструкция обеспечивает максимальную защиту генома с минимальными затратами для вируса. Это наиболее эффективный способ природы создать оболочку из множества идентичных белков.

Универсальность стратегии самосборки

Большинство сферических вирусов полагаются на один и тот же физический принцип: эластичные белки, которые могут самокорректироваться, пока не сформируют симметричную оболочку. Детали различаются между семействами; например, вирусам крупнее T=3 или T=4 часто требуются вспомогательные белки или белки-каркасы. Но общая стратегия самосборки в икосаэдрический контейнер универсальна.

Как формируется капсид

Вирусный геном притягивает белки по всей своей длине, образуя первоначально неупорядоченный РНК-белковый комплекс. Геном стягивает белки вместе, повышает их локальную концентрацию и действует как каркас для усиления взаимодействий, способствуя сборке оболочки. Размер генома также имеет значение: его радиус гирации влияет на наиболее стабильный размер оболочки. Хотя капсидные белки могут собираться вокруг различных длин РНК или даже наночастиц, в данном исследовании основное внимание было уделено тому, как длинная РНК-цепь сначала создаёт неупорядоченный белково-РНК-комплекс, который в конечном итоге формирует стабильную симметричную оболочку под действием физических сил.

Почему трудно наблюдать промежуточные стадии

Поскольку вирусы имеют всего несколько нанометров в размере, а промежуточные стадии очень кратковременны, мы не можем зафиксировать их напрямую с помощью современных экспериментальных инструментов. Такие методы, как криоэлектронная микроскопия и рентгеновская дифракция, позволяют выявить конечные структуры, но не скрытые промежуточные этапы. Вот почему моделирование было так важно.

Компьютерное моделирование и промежуточные этапы

В этом исследовании компьютерное моделирование показало промежуточные стадии, а также то, как фрагменты объединяются, образуя полную оболочку. Эта работа представляет собой первые опубликованные симуляции, демонстрирующие, как вирус размером с футбольный мяч или даже более крупный, например, вирус гепатита B (T=4), может собираться шаг за шагом.

Потенциальное применение исследований

Выявив кратковременные промежуточные этапы сборки, мы можем определить, где процесс наиболее уязвим. Лекарства могут вмешаться в эти этапы, предотвращая разрушение белков неверных связей, нарушая необходимые им эластичные коррекции для самосборки или блокируя действие генома в качестве каркаса. В каждом случае результат одинаков: вирус не может завершить формирование своей оболочки. Без надлежащей оболочки вирус не может защитить свой геном и не может распространять инфекцию.

Применение принципов самосборки вирусов в медицине и технологиях

Те же физические правила, которые вирусы используют для создания своих оболочек, могут быть использованы в медицине и технологиях. Настраивая эластичность белков и свойства груза внутри, исследователи могут создавать стабильные белковые оболочки, которые безопасно упаковывают и доставляют лекарства или генетическую терапию в клетки. Этот подход также открывает двери для создания наномасштабных систем доставки для других применений, от адресной медицины до умных материалов.

Занди в исследовании помогала Сию Ли, бывшая аспирантка в лаборатории Занди, и Гийом Трессе из Университета Париж-Сакле во Франции. Ли сейчас работает преподавателем на факультете физики в Калифорнийском политехническом государственном университете в Помоне.

Предоставлено Калифорнийским университетом в Риверсайде.

Источник