Отщепляя вирусный белок, ученые Университета Райса открыли путь к созданию вирусоподобных наноустройств, которые могут доставлять лекарства в клетки.
Белок является одним из трех, которые составляют защитную оболочку, называемую капсидом, природных аденоассоциированных вирусов (AAV). Создавая все более мелкие версии белка, исследователи создали капсиды с уникальными способностями и многое узнали о механизмах действия AAV.
Исследование опубликовано в журнале Американского химического общества ACS Nano.
Биоинженер риса Чонхэ Со изучает манипулирование не вызывающими болезней AAV для доставки полезных грузов, таких как химиотерапевтические препараты. Ее исследования привели к разработке вирусов, которые могут активироваться светом или внеклеточными протеазами, связанными с определенными заболеваниями.
AAV малы - около 25 нанометров - и содержат одну цепочку ДНК внутри прочных капсидов, которые состоят из мозаики белков, известных как VP1, VP2 и VP3. По словам Су, AAV использовались для доставки полезной нагрузки для генной терапии, но никто не понял, как капсиды AAV физически реконфигурируются при срабатывании внешних раздражителей. Это было отправной точкой для ее лаборатории.
«Этот вирус имеет внутренние пептидные (небольшие белковые) домены, скрытые внутри капсида», - сказала она. «Когда вирус заражает клетку, он ощущает низкий pH и другие эндосомальные факторы, и эти пептидные домены выскакивают на поверхность вирусного капсида.
«Это конформационное изменение, которое мы назвали «активируемым пептидным дисплеем», важно для вируса, потому что внешние домены разрушают эндосомальную мембрану и позволяют вирусу проникнуть в цитоплазму», - сказал Сух.«Кроме того, последовательности ядерной локализации в этих доменах позволяют вирусу проникать в ядро. Мы полагали, что сможем заменить эту функциональность чем-то другим».
Су и ведущий автор и аспирант Райс Николь Тадани считают, что их мутантные AAV могут стать «биокомпьютерными наночастицами», которые обнаруживают и обрабатывают входные данные окружающей среды и производят контролируемые результаты. Изменение капсида - это первый шаг.
Из трех природных капсидных белков только VP1 и VP2 могут быть активированы для раскрытия своих функциональных пептидов, но ни один из них не может создавать капсид сам по себе. Более короткие VP3 могут образовывать капсиды сами по себе, но не отображать пептиды. В естественных AAV белки VP3 превосходят по численности каждый из своих компадеров в соотношении 10 к 1.
Это ограничивает количество пептидов, которые могут подвергаться воздействию, поэтому Сух, Тадани и их соавторы решили изменить соотношение. Это привело их к усечению VP2 и синтезу мозаичных капсидов с VP3, что привело к успешному изменению количества открытых пептидов. Основываясь на предыдущих исследованиях, они вставили общую гексагистидиновую метку, которая упростила мониторинг поверхностного отображения пептидной области.
«Мы хотели усилить активируемые свойства белка по сравнению с тем, что происходит в капсиде нативного вируса», - сказал Тадани. «Вместо того, чтобы отображать только пять копий пептида на капсид, теперь мы можем отображать 20 или 30 и получать большую биологическую активность, которую мы хотим».
Затем они сделали усеченный VP2, способный формировать капсид самостоятельно. «Результаты были довольно неожиданными и не очевидными для нас», - сказал Сух. «Мы разрезали этот компонент VP2 настолько, чтобы сформировать то, что мы называем гомомерным капсидом, где весь капсид состоит только из этой мутантной субъединицы. Это дало нам вирусы, которые, по-видимому, имеют пептидные «щетки», которые всегда находятся на поверхности.
«Такая вирусная структура никогда не встречалась в природе», - сказала она. «Мы получили частицу с этой пептидной кистью, у которой везде есть свободные концы. Теперь мы хотим знать, можем ли мы использовать эти свободные концы, чтобы прикреплять другие вещи или выполнять другие функции».
Гомомерные AAV содержат до 60 пептидов, в то время как мозаичные AAV могут быть запрограммированы реагировать на стимулы, специфичные для определенных клеток или тканей, и отображать меньшее желаемое количество пептидов, заявили исследователи.
«Вирусы эволюционировали, чтобы очень эффективно проникать в клетки», - сказал Сух. «Мы хотим использовать наш вирус в качестве платформы наночастиц для более эффективной доставки терапевтических средств на основе белков или пептидов в клетки. Мы хотим использовать то, что уже создала природа, немного изменить и использовать для наших целей».