Цивилизация
Российские ученые из Южного федерального университета (ЮФУ) выяснили, что структуры некоторых вирусных оболочек напоминают структуры кристаллов. От устройства оболочки вируса зависит его способность инфицировать клетку-хозяина, поэтому понимание особенностей структуры вирусных оболочек может позволить ученым помешать процессу инфицирования. Исследования поддержаны грантом Российского научного фонда (РНФ) и опубликованы в журнале JPCM и в высокорейтинговом журнале Nanoscale.
«Очень важно исследовать и понимать особенности структуры вирусных оболочек. Во-первых, вирусная оболочка содержит внутри геном, который с помощью этой оболочки проникнет в клетку-хозяина, если лекарственная терапия не нарушит какую-то из стадий этого процесса. Во-вторых, полученные результаты о самосборке и устройстве вирусных оболочек можно применять в других областях нанотехнологий, например, для создания наноконтейнеров для адресной доставки лекарств», – сообщил соавтор исследования и руководитель гранта РНФ, профессор кафедры нанотехнологий физического факультета ЮФУ Сергей Рошаль.
Капсид – внешняя оболочка вируса – состоит из отдельных белков и ассоциаций нескольких белков (капсомеров). Упорядоченную структуру оболочки формируют самособирающиеся белки и капсомеры. Капсид защищает генетический материал (ДНК или РНК) вируса от различных повреждений. На начальных стадиях заражения клетки капсид прикрепляется к клеточной мембране, разрывает ее и внедряет в клетку генетический материал вируса.
Вирусы имеют различные размеры и форму. Чаще всего сферическая по форме внешняя оболочка обладает кубическим (икосаэдрическим) типом симметрии. В этом случае капсомеры организуются в икосаэдр. Икосаэдр имеет 20 треугольных граней, 12 вершин, и обладает осями симметрии 2, 3 и 5 порядка. Ось симметрии – один из элементов симметрии кристаллов – это воображаемая прямая, при повороте вокруг которой на один и тот же угол равные части геометрической фигуры совмещаются. Таким образом, при каждом повороте на 180°, 120°, 72° грани у кристалла могут совместиться два, три и пять раз. Небольшим вирусам для построения сферы с такой симметрией необходимо менее 60 капсомеров, самособирающихся таким образом, что вирусная оболочка принимает структуру кристалла.
Для анализа структуры сферических вирусных оболочек ученые используют развертку сфер (развернутую на плоскости поверхность геометрического тела). Только два вида правильных многогранников совместимы с вирусной симметрией. Это икосаэдр и додекаэдр – правильный многогранник, состоящий из 12 равносторонних пятиугольников.
Исследователи рассмотрели крупные вирусные оболочки, содержащие более 60 белков в рамках не привычной развертки икосаэдра, а развертки додекаэдра. Как оказалось, локальный порядок белков (закономерность расположения соседних молекул) в оболочках больших вирусов хорошо совместимым с додекаэдрической разверткой. Белки вынуждены занимать такое положение, что вирусная оболочка принимает структуру квазикристалла. Квазикристаллы могут обладать симметрией не только 5,3,2 порядка (икосаэдрической), но и 10, 12, 14, 18, 20 порядка.
«Главный вывод заключается в том, что симметрия, ставшая в XX веке фундаментальным базисом для исследования неживой природы физикой и химией, оказывается чрезвычайно важной для понимания процессов самосборки и матюрации (созревания, в результате которого вирус приобретает возможность заражать клетки) вирусов, занимающих таинственную, сумеречную область между живой и неживой природой. Мы выяснили, что вирусные оболочки гораздо ближе к кристаллам и к квазикристаллам, чем это считалось ранее», – сообщил соавтор исследования и руководитель гранта РНФ, профессор кафедры нанотехнологий физического факультета ЮФУ Сергей Рошаль.
Точная интерпретация структурной информации об устройстве вирусных оболочек играет ключевую роль в проектировании новых противовирусных средств. Результаты исследования помогут найти средства для антивирусной терапии еще на стадии сборки вируса.
