Белковые оболочки, в которых вирусы хранят свой генетический материал, считаются удобной «упаковкой» для транспортировки значимых в медицине биологически активных веществ, например витаминов и лекарств. Поэтому ученых интересует структура вирусных белковых оболочек: принципы их построения, сборки и разборки. Поэтому исследователи уделяют большое внимание их структуре, процессам сборки и разборки. Это знание позволяет разработать методы «загрузки» полезных соединений в такие наноконтейнеры и контролировать их высвобождение в организме.

Большинство вирусных оболочек представляют собой сферические икосаэдры, состоящие из множества треугольных ячеек, каждая из которых включает три белка. Однако в последние годы были обнаружены необычные структуры, состоящие из чередующихся треугольников и квадратов. Ученым даже удалось синтезировать такие оболочки искусственно.Однако до сих пор не существовало простой геометрической модели, которая бы ясно описывала принципы устройства квадратно-треугольных сферических структур и помогла бы предсказывать структуру новых подобных комплексов, потенциально способных доставлять в ткани различные лекарства.

Рисунок 1. Слева — разбиение обычной вирусной оболочки на 80 примерно одинаковых треугольных ячеек. Справа — наноконтейнер разбитый на квадратные и треугольные элементы. Источник: Rochal et al. / Physical Review X, 2024.

Исследователи из Южного федерального университета с коллегой из Института физики Китайской академии наук разработали теорию разверток таких структур — модель для конструирования наноконтейнеров на основе треугольных и квадратных элементов. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Physical Review X.

«Квадратно-треугольный мотив очень часто лежит в основе квазикристаллических структур — как металлических сплавов, так и различных систем, относящихся к мягкой материи. Квазикристаллы характеризуются "‎запрещенной"‎ в обычных кристаллах симметрией и дальним порядком, образуемым чередованием ячеек нескольких разных типов. Как показал выполненный нами анализ протеиновой базы данных, в некоторых белковых оболочках встречается подобный мотив. Главная задача была в том, чтобы понять, как квазикристаллический порядок переносится на сферу», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Сергей Рошаль, доктор физико-математических наук, профессор кафедры «Нанотехнология» ЮФУ.

Используя методы многомерной кристаллографии, исследователи создали плоские фигуры из треугольников и квадратов, которые представляют собой развертки сферических оболочек. Например, 20 равносторонних треугольников могут быть собраны в икосаэдр, а 6 квадратов — в куб. Эти фигуры затем можно проецировать на сферическую поверхность. Чтобы получить необходимые развертки, в модель заложили условие периодического повторения квадратных и треугольных элементов, соответствующих плоской решетке с ячейками большего размера, чем исходные элементы. После этого развертки собирались, выравнивая ребра элементов и формируя симметричную структуру на сфере. Таким образом, исследователи смоделировали первые 20 оболочек, некоторые из которых соответствуют известным сферическим комплексам, содержащим от 24 до 360 белков.

По мнению авторов, квадратно-треугольные структуры энергетически устойчивы только для относительно небольших оболочек. Для более крупных оболочек предпочтительнее использовать структуры, состоящие исключительно из треугольников. Тем не менее, благодаря своим функциональным возможностям, квадратно-треугольные белковые наноконтейнеры уже активно применяются в лабораториях по всему миру в качестве индивидуальных нанореакторов, средств доставки лекарств, детекторов антигенов и искусственных органелл, используемых в материаловедении и синтетической биологии.

Исследователи не только объяснили принципы построения существующих квазикристаллических наноконтейнеров, но и предсказали новые структуры. В будущем будет важно не только синтезировать эти предсказанные оболочки, но и понять, как эффективно управлять их сборкой и разборкой.

«Белковые наноконтейнеры — многообещающие кандидаты для все более широкого круга применений. Они нетоксичны, а потому безопасны для организма, что делает их более привлекательными для наномедицины, чем углеродные нанотрубки и многие другие системы доставки. Кроме того, изменяя, например, только кислотность или температуру окружающей среды можно управлять их сборкой и разборкой. Поэтому мы будем исследовать соответствующие физико-химические механизмы и продолжим поиск новых вариантов устройства белковых оболочек», — подводит итог Сергей Рошаль.

Рисунок 2. Модели треугольно-квадратных оболочек с разным числом вершин (от 36 до 138). Источник: Rochal et al. / Physical Review X, 2024.

Текст подготовлен на основе пресс-релиза Российсконо научного фонда(РНФ).