Вирус, простейший физический объект в биологии, состоит из белковой оболочки, называемой капсидом, которая защищает его геном нуклеиновой кислоты - РНК или ДНК. Капсид может быть цилиндрической или конической формы, но чаще он имеет икосаэдрическую структуру, как футбольный мяч.
Формирование капсида является одним из наиболее важных этапов в процессе вирусной инфекции. Если вирус маленький, капсид образуется спонтанно. Однако более крупные сферические вирусы, такие как вирус простого герпеса или вирус инфекционной бурсальной болезни, нуждаются в помощи продуцируемых естественным образом «каркасных белков», которые служат шаблоном, направляющим формирование капсида. Как эти большие вирусные оболочки собираются в высокосимметричные структуры, не совсем понятно.
Группа физиков и вирусолога под руководством ученого из Калифорнийского университета в Риверсайде опубликовала в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences исследовательскую работу, объясняющую, как формируются большие вирусные оболочки. Их работу также можно использовать для объяснения того, как в природе образуются большие сферические кристаллы.
Это понимание может помочь исследователям прервать формирование вирусов, сдерживающих распространение вирусных заболеваний.
Опираясь на теорию, называемую континуальной теорией эластичности, исследователи изучили рост больших сферических капсидов. Они показали, что матрица направляет формирование белковых субъединиц капсида - отдельных строительных блоков оболочки - безошибочно и в конечном итоге приводит к высокосимметричной, стабильной икосаэдрической структуре.
«По мере роста сферической структуры мы видим глубокие потенциальные ямы - или сродства - в математически заданных местах, которые позже становятся вершинами икосаэдрической структуры», - сказал Ройя Занди, профессор кафедры физики и Астроном, руководивший исследовательским проектом. «В отсутствие этой матрицы, обеспечиваемой каркасными белками, белковые субъединицы часто собираются в более мелкие и менее стабильные структуры».
Исследование включает в себя компьютерное моделирование и сложную математику, в частности, топологию, которая является математическим изучением свойств геометрической фигуры или твердого тела, которые не изменяются при растяжении или сгибании. Это объясняет на фундаментальном уровне, какую роль механические свойства строительных блоков и каркасных белков играют в формировании капсидов. Чтобы большие капсиды могли принять стабильные икосаэдрические структуры, белковые субъединицы должны обладать определенными физическими свойствами. Кроме того, исследователи утверждают, что взаимодействие между белковыми субъединицами и матрицей необходимо.
Икосаэдр - это геометрическая структура с 12 вершинами, 20 гранями и 30 сторонами. Официальный футбольный мяч представляет собой разновидность икосаэдра, называемого усеченным икосаэдром; он состоит из 32 панелей, вырезанных в форме 20 шестиугольников и 12 пятиугольников. У него 60 вершин и 90 ребер. Пятиугольники отделены друг от друга шестиугольниками. Все икосаэдрические структуры, независимо от размера, должны иметь только 12 пятиугольников.
Занди объяснил икосаэдр, ссылаясь на проблему Томсона, которая утверждает, что точечные заряды, размещенные на поверхности единичной сферы, минимизируют общую энергию системы. Решения задачи размещают каждый точечный заряд таким образом, чтобы его ближайшие соседи находились как можно дальше.
«Если у вас есть сферический проводник и вы поместите на него 12 электронов, они захотят быть как можно дальше друг от друга», - сказала она.«Они заканчиваются на вершинах икосаэдра. С учетом этих знаний, когда вирусная оболочка растет, то, исходя из теории эластичности, вам потребуется не менее 12 дефектных точек, называемых дисклинациями. Представьте, если бы вам пришлось обернуть лист бумаги вокруг сферы. Вам пришлось бы сгибать бумагу в определенных точках, чтобы она приняла сферическую форму. Это точки дисклинации, и их нельзя избежать. Если бы вы сделали сферическую оболочку из маленьких треугольников, вы потребуется сделать 12 пятиугольников. Без 12 пятиугольников сферическая форма невозможна."
Занди подчеркнул, что для более эффективной атаки на вирусы требуется четкое понимание того, как они формируются, что может помочь исследователям в поиске лучших способов прерывания их формирования и, таким образом, сдерживания распространения вирусных заболеваний.
"Когда вирус большой, как белковые субъединицы узнают, как организовать себя, чтобы сформировать наиболее устойчивую возможную оболочку - икосаэдрическую?" она добавила."Где должна появиться первая дисклинация? А как насчет следующей? Как тысячи белковых субъединиц могут соединяться вместе и образовывать икосаэдрические структуры с такой точностью и симметрией? И какова роль каркасных белков? Почему большие стабильные оболочки не могут образовываться без белки-каркасы? Эти вопросы легли в основу нашего исследования».
Занди объяснил, что каждая белковая субъединица имеет энергию изгиба, а это означает, что субъединица предпочитает встречаться с другой субъединицей под определенным углом. Для небольшой икосаэдрической структуры этот угол мал и остр. Но для формирования большой икосаэдрической структуры или капсида этот угол большой и тупой, и ему требуется помощь каркасных белков. Без этой помощи белковые субъединицы образовывали бы бесконечную длинную трубку, потому что это усилие требует меньше энергии.
«Теперь мы показываем, что этой тенденции препятствуют каркасные белки, которые заставляют белковые субъединицы слегка изгибаться, изгибаться и образовывать 12 пятиугольников, что затем приводит к образованию икосаэдрической структуры», - сказал Занди.«Наше исследование доказывает, что без этих лесов невозможно сформировать большую высокостабильную икосаэдрическую оболочку».
Вирусы - лучшие наноконтейнеры, сказал Занди. Их можно использовать для доставки лекарств к конкретным мишеням в организме, потому что они особенно хорошо подходят для достижения клеток. Например, вирусы можно заставить переносить грузы, такие как геномы и лекарства, в терапевтических целях к раковым клеткам.
«Препараты, препятствующие сборке, могут быть более эффективными, чем другие препараты, потому что вирусная приспособленность особенно чувствительна к мутациям на определенных интерфейсах сборки», - сказал Занди. «Действительно, недавно были разработаны небольшие молекулы, которые запрещают репликацию определенных вирусов с помощью аналогичных механизмов».
Вирусы не дышат, не метаболизируются и не растут. Но они размножаются. Простейший вирус имеет оболочку из 60 белковых субъединиц. Каждую треугольную грань занимают три асимметричных белка-субъединицы, и все 60 субъединиц эквивалентны друг другу. Для сложных вирусов количество субъединиц кратно 60.
Исследование финансировалось за счет гранта Национального научного фонда.
Занди присоединилась к исследованию Сию Ли из UCR; вирусолог Полли Рой из Лондонской школы гигиены и тропической медицины, Соединенное Королевство; и Алекс Травессет из Университета штата Айова. Ли, аспирант лаборатории Занди, является первым автором исследовательской работы.