Цивилизация
Работа, опубликованная в Nature 30 мая, анонсирована на обложке журнала. Ученые давно пытались понять механизм функционирования капсида вируса иммунодефицита человека (ВИЧ) как единого целого образования с точки зрения химических взаимодействий образующих его белков. Поскольку капсид критически важен для размножения ВИЧ, воспроизведения его генетического материала, вооруженные такими знаниями исследователи могли бы нарушить его работу с помощью целевых лекарственных средств, вмешивающихся в процесс сборки белковой оболочки вируса.
«У такого подхода есть большой потенциал для того, чтобы стать мощной альтернативой традиционной терапии ВИЧ-инфекции, которая, как правило, нацелена на определенные ферменты,
— комментирует руководитель исследования Пэйцзюнь Чжан из Питсбургского университета. — Поскольку из-за высокой скорости мутаций вирус быстро вырабатывает устойчивость к препаратам, и это очень осложняет задачу».
Для расшифровки молекулярной архитектуры капсида стандартных методов структурной биологии оказалось недостаточно, поскольку с их помощью можно получить лишь усредненные данные. А оболочка этого вредоносного вируса неоднородна и асимметрична. Из предыдущих исследований было известно, что она имеет конусообразную форму и образована ансамблями белков — гексамерами и пентамерами. Предполагалось, что регулярную структуру этой своеобразной «кристаллической решетки» формируют примерно 200 белковых комплексов, состоящих из шести молекул, и 12 — из пяти. Но как именно белки организуются в гексамерные и пентамерные ансамбли и как эти ансамбли взаимодействуют друг с другом, все еще оставалось невыясненным.
Ученые из Питсбургского университета использовали «гибридный» подход, объединив два метода исследования — криоэлектронную микроскопию гексамерных структур in vitro с разрешением 8 ангстрем (1 ангстрем равен 0,1 нм; для сравнения, размер атома водорода — 0,25 ангстрема) и криоэлектронную томографию оболочки ВИЧ-1, изолированной из вирионов, вирусных частиц. Затем их соавторы из Университета Иллинойса обработали полученные данные с помощью нового высокопроизводительного суперкомпьютера Blue Waters, способного выполнять 1 квадриллион операций в секунду. На этом компьютере было смоделировано взаимодействие 1300 белков капсида, рассчитаны его физические и структурные характеристики.
В структуре белков были обнаружены трехспиральные пучки в тех участках капсида, где белки «сшиваются» друг с другом. Эти участки обеспечивают стабильность капсида, его прочность, играют важную роль при сборке оболочки вируса. А следовательно, именно в этих участках капсид может быть наиболее уязвимым.
«Капсид очень чувствителен к мутациям, поэтому если мы сумеем нарушить эти взаимодействия, то сможем повлиять на его функционирование, — предполагает доктор Чжан. — Капсид должен сохранять целостность, чтобы защищать генетический материал вируса и доставлять его в клетку человека. Но как только вирус проник в клетку — капсид разрушается, и это обеспечивает возможность копирования вредоносного генома. Разработка препаратов, которые нарушат эти функции капсида и будут препятствовать его сборке или, наоборот, распадению на отдельные фрагменты, поможет остановить процесс воспроизведения вируса в клетках человека».