На сегодняшний день у ученых нет однозначного ответа, относятся ли вирусы к живым организмам. С одной стороны, как и все живые организмы, вирус стремится передать свой генетический материал. С другой — он не способен существовать самостоятельно и активируется только в хозяйской клетке, используя ее ресурсы и питательные вещества. Фактически вирус состоит из белковой оболочки, внутри которой находится генетический материал, и самособирается за счет естественных физико-химических процессов. Объяснить с точки зрения физики явления, проходящие в вирусах, стремится относительно молодая наука — физическая вирусология.

Чтобы попасть внутрь клетки, вирус связывается со специфическими белками на ее поверхности и формирует в клеточной мембране отверстие. После проникновения в клетку геном вируса захватывает и перекодирует ее клеточный аппарат, начиная собственное размножение, а также генерирует специальные белки, используемые для самосборки оболочек «новорожденных» вирусов. Такие оболочки сферической или икосаэдрической формы называют прокапсидами. Зрелый вирион, способный инфицировать новые клетки, образуется после упаковки в эту оболочку вирусного генома. В ходе этого процесса вирусная оболочка меняет свою форму и созревает, проходя промежуточные состояния между прокапсидом и зрелым капсидом. Незрелый капсид сильно подвержен влиянию окружающей среды (кислотности, температуры, солености и других факторов), что позволяет проводить множество экспериментальных исследований. Варьируя параметры среды, можно добиться изменения формы и даже «саморазборки» оболочки. Поэтому, изучая физико-химические явления, происходящие во время созревания вирусов, специалисты смогут повлиять на процесс их сборки и препятствовать дальнейшему заражению.

В рамках исследования ученые из Южного федерального университета совместно с профессором Института Йозефа Стефана (Любляна) Рудольфом Подгорником построили физическую модель, с помощью которой воспроизвели процесс сборки и созревания бактериофага — вируса, поражающего микробов.

С помощью расчетов ученым удалось с хорошей точностью воспроизвести формы тех состояний, которые наблюдались в экспериментах. Согласно предложенной модели, спусковым крючком для необратимой трансформации прокапсида является отделение от его стенок определенных белков, а обратимые изменения формы происходят из-за механического давления упакованного генома на оболочку. Геном состоит из трех различных сегментов, каждый из которых необходим для того, чтобы вирус смог заразить клетку и размножаться в ней. Эти сегменты последовательно упаковываются в оболочку, меняя ее форму.

«Мы построили микромеханическую модель, объясняющую, как форма оболочки меняется при упаковке генетического материала. Это происходит за счет работы специального белка-мотора, и нуклеиновая кислота удерживается внутри с помощью электростатических взаимодействий. Понимать, как собирается вирусная оболочка, важно, так как это физико-химический процесс, на который можно как-то повлиять, в том числе вернуть вирус на предыдущие стадии развития, пока он не стабилизировался, — рассказал профессор кафедры нанотехнологии физического факультета Южного федерального университета Сергей Рошаль.

Созревание вируса похоже на обычные фазовые переходы в кристаллах. Во время него меняется структура и форма оболочки, какие-то детали белков отделяются, и в результате получается вирион. Изучение физико-химических процессов, происходящих при формировании вириона, способного инфицировать клетки, может стать ключом к контролю за распространением вирусов. 

Результаты исследования опубликованы в журнале Soft Matter.