Большинство вирусов покрыты белковой оболочкой — капсидом, который защищает вирусный геном от пагубного воздействия окружающей среды и транспортирует его в заражаемую клетку. Такие белковые оболочки можно модифицировать и использовать для адресной доставки лекарств в поврежденные ткани и органы, но при одном условии – нужно хорошо понимать законы и механизмы, определяющие их структуру и свойства, в том числе механизм саморазборки вирусных оболочек при инфицировании.

Ученые кафедры «Нанотехнология» Физического факультета ЮФУ совместно с коллегами из Китая исследовали сложные белковые оболочки циповирусов – вирусов, часто вызывающие кишечные инфекции у таких насекомых как, например, тутовый шелкопряд.  По словам авторов исследования, эти вирусы уникальным тем, что их геном помимо капсида защищен еще и внешней оболочкой из белка полиэдрина, также называемую вирусным полиэдром. Полиэдрин в больших количествах вырабатывается зараженными клетками и образует кристаллы в форме куба, визуально напоминающие кристаллы обычной поваренной соли. При сборке вирусных частиц капсиды циповирусов встраиваются внутрь этих белковых кристаллов, тем самым обретая дополнительную защиту от неблагоприятных факторов внешней среды: экстремальных температур и моющих средств, уничтожающих большинство других вирусов. Важно, что, когда циповирус попадает в желудок насекомого, он сбрасывает полиэдриновую «броню» и получает возможность инфицировать клетки насекомого.

Предыдущие научные работы коллектива показали, что полиэдриновые кристаллы растворяются в щелочной среде желудка насекомых, однако причина этого и то, как именно капсиды встраиваются в полиэдры, не было известно. В недавнем исследовании с помощью математических расчетов и 3D-моделирования белковых молекул авторы смогли впервые определить детальное устройство вирусных полиэдров со встроенными в них капсидами циповирусов. Как пояснили на кафедре «Нанотехнология» ЮФУ, ранее это не удавалось другим исследовательским группам, полагающимся лишь на современную микроскопию. Как было установлено в рамках исследования, невзирая на тот факт, что капсиды циповирусов имеют форму двадцатигранников, а вирусные полиэдры — кубическую, оболочка из полиэдрина плотно прилегает к капсиду вируса. Именно такой плотный контакт — одна из причин невероятной стабильности образующейся структуры. Разработанная модель показала, что внутри полиэдров могут образовываться полости или «гнезда» с наиболее походящей для размещения капсидов формой. Итоги данного исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда, изложены в журнале «Nanoscale Advances».

Помимо этого, ученые определили причины разборки вирусного полиэдра в щелочной среде желудка насекомых. Расчеты показали, что в таких условиях белки этой оболочки приобретают отрицательный заряд и начинают отталкиваться друг от друга и от белков капсида, что приводит к разрушению полиэдра и высвобождению капсида.

Полученные в ходе выполнения проекта данные могут быть полезны при проектировании наноконтейнеров для адресной доставки лекарств. Модифицируя белковые молекулы, можно влиять на то, какой заряд они будут иметь в тех или иных условиях, а также при какой кислотности будет происходить разборка контейнера и высвобождение его содержимого.

«На сегодняшний день наноконтейнеры для доставки лекарств часто пытаются делать на основе углеродных нанотрубок. Однако у них есть недостатки: не совсем понятно, при каких условиях и как полезные молекулы, присоединенные к нанотрубкам, будут отсоединяться, достигая нужных тканей. Кроме того, нанотрубки могут быть токсичны для организма. Наше исследование показало, что разборкой белковых полиэдриновых капсул можно легко управлять, что делает их удобнее нанотрубок. Белки присутствуют во всех клетках и тканях нашего организма, они абсолютно безопасны и нетоксичны», — отметиль руководитель проекта, доктор физико-математических наук, профессор кафедры «Нанотехнология» Физического факультета ЮФУ Сергей Рошаль.

В дальнейшем авторы планируют разобраться, как на сборку и разборку капсидов влияет хиральность составляющих их белков, то есть отличия, подобные тем, что наблюдаются между правой и левой руками.

Релиз подготовлен совместно с Российским научным фондом (РНФ).