Отечественные специалисты представили новую теорию описания самосборки белковых наночастиц

В Южном федеральном университете разработали подход, описывающий процессы самосборки вирусных оболочек и подобных им полых белковых комплексов. Такие комплексы можно будет использовать при создании наноконтейнеров для лекарств и каталитически активных наночастиц.

Вирусы – это внутриклеточные паразиты, занимающие промежуточную область между живой и неживой природой. Они состоят из генома (РНК или ДНК) и защищающей его оболочки – капсида. Благодаря специфической структуре капсиды являются одной из наиболее совершенных систем доставки на клеточном уровне. Поэтому, врачи используют модифицированные капсиды для доставки лекарств и разнообразных биологически активных веществ к целевым органам. Химики создают на основе капсидов новые катализаторы, а материаловеды применяют их для получения функциональных наноматериалов. По словам экспертов, всем этим учёным нужны математические модели, способные описать устройство белковых оболочек, процесс их синтеза и взаимодействие с окружением.

В рамках работ по гранту РНФ исследователи кафедры «Нанотехнология» Физического факультета ЮФУ предложили модель, описывающую процесс самосборки полых белковых наночастиц, напоминающих по форме вирусы. Подход основан на двух основных идеях. «Во-первых, энергия такой наночастицы представляется скалярной функцией распределения плотности вещества и не меняется при преобразованиях симметрии структуры, например симметрии куба, или двадцатигранника-икосаэдра. При этом у этой функции есть специальные коэффициенты, учитывающие такие факторы внешней среды, как температура и давление. Во-вторых, переход между начальным состоянием, когда составляющие наночастицу молекулы пока не выстроились определённым образом друг относительно друга, и уже сборкой в полноценную структуру наиболее существенно зависит лишь от одной степени свободы, который и определяет симметрию и структуру системы», – объяснил руководитель проекта, доктор физико-математических наук, профессор кафедры «Нанотехнология» Физического факультета ЮФУ Сергей Рошаль.

Проще говоря, энергия такой наночастицы является функцией плотности вещества и остаётся постоянной при преобразования симметрии частицы. То есть, например, если наночастица совмещается сама с собой при повороте на 900, то и энергия этой частицы при таком повороте не изменится. А процесс перехода от начального состояния к полноценной структуре преимущественно зависит лишь от одного параметра, называемого параметром порядка, который и определяет симметрию и структуру сформировавшейся наночастицы.

Так, авторы, основываясь на классических представлениях, предложили новую модель самосборки белковых наночастиц. Согласно ей расположение атомов или молекул, из которых состоят белковые наночастицы, определяются функциями плотности с кубической или икосаэдрической симметрией (последняя наиболее часто встречается среди вирусов). При этом такие функции можно рассчитать с помощью методов теории симметрии. Зная их, можно точно определить наиболее энергетически выгодные состояния системы. Рассчитанные таким образом оболочки, по внешнему виду похожие на футбольный мяч, предсказывают, каким образом исходные белковые молекулы собираются в полую наночастицу. При этом интересно отметить, что многие из полученных в работе оболочек являются геодезическими полиэдрами, то есть их сферическая поверхность образуется почти правильными треугольниками.

Авторы также обсудили, как можно учесть хиральность исходных молекул, то есть их способность не совмещаться со своим отражением. Это очень важно, поскольку таким свойством обладает большое число природных молекул, в том числе и белки, а еще «зеркальные близнецы» могут кардинально отличаться по свойствам.

«Белковые сферические наноструктуры имеют большой ряд перспективных применений в области медицины. В частности, подобные частицы могут использоваться в качестве наноконтейнеров для направленного транспорта лекарственных веществ. Абиотические металлические наночастицы, например с комплексами серебра и золота, уже широко применяются в качестве катализаторов, и недавно нашли своё применение в плазмонике и оптоэлектронике», — рассказывает руководитель проекта, доктор физико-математических наук, профессор кафедры «Нанотехнология» Физического факультета ЮФУ Сергей Рошаль.

Результаты исследования опубликованы в научном журнале Physical Review B.