Более 50 лет назад советский физик-теоретик Л. Д. Ландау высказал идею о том, что кристаллизацию и фазовые переходы в веществе можно рассматривать как появления или исчезновения некоторых волн плотности, которые называются критическими. Эти волны порождают интерференционные картины, которые в конечном счете и определяют структуру вещества. В повседневной жизни мы тоже можем видеть интерференцию, например в мыльных пузырях или в пленке бензина, растекшегося на поверхности воды – это именно то яркое радужное окрашивание поверхности, которое изумительно переливается на свету. Как выяснили ученые Физического факультета ЮФУ, в природе реализуются лишь те вирусные оболочки, которые соответствуют простейшим интерференционным картинам возможным на сфере.

Сборка белковых вирусных оболочек из отдельных белков или заранее собранных в растворе их комплексов во многом подобна процессу кристаллизации. Пользуясь подходом Ландау, ученые объяснили, почему маленькие вирусные оболочки собираются из отдельных белков, а оболочки среднего размера – из их симметричных групп (пентамеров и гексамеров). Также стало понятно почему размеры белковых оболочек, собирающихся из пентамеров и гексамеров являются ограниченными.

«Мы предложили новую феноменологическую теорию, которая описывает структуры как малых, так и средних вирусных оболочек с икосаэдрической симметрией. В рамках этой теории мы впервые рассматриваем индивидуальные белки как протяженные структурные единицы, фактически учитывая их удлиненную хиральную форму. Саму самосборку вирусных оболочек мы описываем как конденсацию минимального числа волн плотности на сферической поверхности. Как мы показали, для описания структурной организации малых вирусных оболочек достаточно задать две критические волны плотности: первая волна определяет пространственное положение отдельных белковых молекул, а вторая – их ориентацию. Средние вирусные оболочки в отличие от малых всегда состоят из пентамеров и гексамеров (называемых капсомерами), которые изначально собираются из индивидуальных белков. Анализируя все известные капсиды средних вирусов, мы обнаружили, позиции капсомеров в таких оболочках описываются комбинациями из максимум двух критических волн плотности», – рассказал руководитель проекта, профессор кафедры «Нанотехнология» Физического факультета ЮФУ Сергей Рошаль.

Рисунок: Организация капсидов и интерференционные картины. Устройство капсида Пикобирнавируса (a) и критическая волна плотности (b), похожая на его структуру. Устройство капсида фага микроцистиса Mic1 (c) и соответствующая ему интерференционная картина, образованная двумя критическими волнами.

Таким образом, предложенная теория позволила выявить общие особенности устройства всех известных существующих вирусных оболочек малого и среднего размера. Оказалось, что с точки зрения теории кристаллизации Л. Д. Ландау эти оболочки являются простейшими структурами. Волны плотности на сфере описываются хорошо известными физикам и математикам функциями - сферическими гармониками, а простота вирусных оболочек заключается в том, что соответствующие интерференционные картины образуются гармониками, характеризуемыми максимум парой соседних волновых чисел. Принцип простоты также позволил объяснить наблюдаемое в природе ограничение на предельный размер вирусных оболочек, самособирающихся из пентамеров и гексамеров.

Авторы исследования утверждают, что изучение структурной организации вирусных капсидов важно для разработки новых противовирусных стратегий. Более того, капсиды, не содержащие вирусный геном, имеют множество перспективных применений в качестве наноконтейнеров и, в частности, могут использоваться в адресной доставке лекарств и для других бионанотехнологий.

Результаты исследования, поддержанные грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале «Physical Chemistry Chemical Physics».

Автор текста: Юлия Сопрунова