Учёные ЮФУ смоделировали самосборку вирусных частиц и выяснили механизм созревания вируса Денге

Специалисты Физического факультета ЮФУ создали модель, описывающую принцип самосборки вирусных частиц. Оказалось, что белковые молекулы в составе оболочки стремятся расположиться как можно более компактно. Такой принцип работает для многих известных вирусов, а также позволяет описать процесс их созревания в клетке. Работа учёных позволит создать новые препараты, нарушающие сборку вируса, а также наноконтейнеры для доставки лекарств.

Все вирусы стремятся распространить свой генетический материал, для чего они должны попасть в клетки организма-хозяина. В любом вирусе нуклеиновая кислота (ДНК или РНК) хранит и передает генетическую информацию, а внешняя белковая капсула (капсид), защищает геном. Помимо этого, некоторые возбудители могут иметь дополнительную липидную оболочку, упрощающую вход вируса в клетку, которая также покрыта липидной оболочкой.

Капсид, состоит из множества белковых молекул, которые объединены в одинаковые по форме комплексы — капсомеры. В зависимости от того, сколько молекул в них входит, они называются по-разному: две — димеры, три — тримеры, пять — пентамеры, шесть — гексамеры.

«Во многих вирусах капсомеры, будучи определённым образом упакованы, формируют правильный икосаэдр(многогранник). При этом пентамеры расположены в вершинах икосаэдра, а гексамеры – на его гранях. Однако до сих пор не было известно, по каким правилам размещаются структурные элементы оболочки зрелой вирусной частицы, если она состоит лишь из одного типа капсомеров, которые к тому же не являются ни пентамерами, ни гексамерами», – рассказал руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Сергей Рошаль, доктор физико-математических наук, профессор кафедры «Нанотехнология» ЮФУ.

Учёные из ЮФУ с зарубежными коллегами определили принцип, обеспечивающий правильную сборку подобных вирусных капсидов. Для этого они рассмотрели процесс сборки с точки зрения математики, обобщив задачу о плотной упаковке дисков на поверхности сферы. В рамках этой задачи, которая называется проблемой Таммеса, требуется найти такое взаимное расположение заданного числа дисков, чтобы их как можно больше поместилось на поверхности шара.

«Оказалось, что рассматриваемые вирусные капсиды как раз представляют собой системы с максимально плотной упаковкой капсомеров при ограничениях, накладываемых икосаэдрической симметрией. С некоторым приближением капсомер можно рассмотреть, как несколько одинаковых перекрывающихся дисков. А капсомеры в структуре располагаются так, чтобы центры тяжести отдельных белковых молекул, принадлежащих соседним капсомерам, совпадали с центрами дисков и были равноудалены друг от друга» - рассказал Сергей Рошаль.

Исследователи доказали, что предложенная модель работает для различных вариантов упаковки вирусных частиц — когда капсомеры представляют собой димеры, то есть две связанные между собой молекулы белка, и тримеры, состоящие, соответственно, из трёх молекул. При этом димерная структура характерна для зрелых частиц флавивирусов, например, вируса Денге, вызывающего лихорадку. Капсиды на основе тримеров, напротив, встречаются у «молодых» вирусов, которые находятся в инфицированных клетках, но не могут выйти из них до того момента, пока не созреют. Процесс созревания у вируса Денге и других флавивирусов заключается в перестройке капсида из тримерного в димерный.

Учёные определили, что эта перестройка происходит за счёт того, что заряд белков, составляющих оболочку, меняется при изменении кислотности среды, а именно, когда вирус «путешествует» от центра клетки к мембране. Из-за этого силы взаимодействия между белками становятся несбалансированными, и структура, состоящая из тримеров становится энергетически менее выгодной, чем состоящая из димеров, в которую и начинает перестраиваться капсид.

«Зная, по каким правилам собирается и перестраивается вирусный капсид, можно разрабатывать новые способы доставки лекарств, например, специальные наноконтейнеры на основе вирусов. Кроме того, смоделированный нами механизм созревания капсида можно использовать для борьбы с вирусными инфекциями, если с помощью особых препаратов нарушить этот процесс», — отметил Сергей Рошаль.

Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в научном журнале Nanoscale Advances.