Исследователи во главе с физиком из Университета Карнеги-Меллона Маркусом Дезерно и химиком из Констанцского университета (Германия) Кристин Питер разработали компьютерную симуляцию, которая разрушает вирусные капсиды. Позволяя исследователям увидеть, как разрушаются прочные оболочки, моделирование предоставляет вычислительное окно для изучения того, как собираются вирусы и белки. Исследование опубликовано в октябрьском номере The European Physical Journal Special Topics.
Идея разбить что-то, чтобы увидеть, как это делается, не нова. Это то, что делается на ускорителях частиц и в лабораториях материаловедения по всему миру - не говоря уже о малышах, которые ломают свои игрушки, чтобы посмотреть, что внутри», - сказал Дезерно, профессор кафедры физики и член Инициативы по биологической физике. симуляция, в которой мы можем создать вирус, уничтожить его и посмотреть, что произойдет, на очень высоком уровне разрешения».
Вирусные капсиды, белковые оболочки, инкапсулирующие и транспортирующие вирусный геном, являются одними из самых прочных наноконтейнеров природы. Оболочки образуются, когда копии белков капсида спонтанно собираются вместе и образуют круглую геометрическую оболочку. Понимание того, как эти белки собираются вместе, чтобы сформировать капсиды, может помочь исследователям создавать аналогичные наноконтейнеры для различных целей, включая адресную доставку лекарств. Кроме того, симуляция может заполнить пустоту для вирусологов, позволяя им изучать этапы сборки вируса, которые они не могут увидеть экспериментально.
Изучение самосборки вирусных капсидов затруднено. Большинство вирусов слишком малы - от 30 до 50 нанометров - и белки капсида собираются вместе слишком быстро, чтобы их сборку можно было увидеть с помощью традиционной микроскопии. В качестве альтернативы Дезерно и его коллеги подумали, что лучший способ узнать о сборке капсида - посмотреть, что происходит, когда уже сформированный капсид распадается на части.
Для этого Дезерно и его коллеги создали крупнозернистую модель капсида вируса хлоротической крапчатости вигны (CCMV). В моделировании они прикладывали силы к капсиду и смотрели, как он реагирует на эти силы. Их модель основана на силовом поле МАРТИНИ, широко используемой грубозернистой модели, с добавленной стабилизирующей сетью в отдельных белках, которая компенсирует недостатки модели в стабилизации геометрии сворачивания белка.
Капсид CCMV состоит из 180 идентичных белков. При сборке белки сначала образуют пары, называемые димерами, а затем эти димеры соединяются на интерфейсах. Хотя белки одни и те же, интерфейсы могут быть разными. В некоторых местах капсида встречаются пять белков; в других, шесть. В ходе моделирования исследователи обнаружили, что когда к капсиду прикладывалась сила, капсид сначала начинал разрушаться на гексаметрических границах, что указывает на то, что эти межбелковые контакты были слабее, чем на пентаметрических границах. Напротив, пентаметрические контакты никогда не ломались. Поскольку более сильные соединения собираются первыми, а более слабые - позже, исследователи могут использовать эту информацию, чтобы начать воссоздавать то, как формировался капсид.
В ходе моделирования исследователи также нашли вероятное объяснение странной структурной особенности, обнаруженной в капсиде CCMV. В центре гексаметрической ассоциации хвосты шести белков сходятся и образуют бета-ствол. Бета-баррели представляют собой спиральные вторичные белковые структуры. Исследователи считают, что они обеспечивают дальнейшую стабилизацию более слабых гексаметрических интерфейсов на поздних стадиях.