«Очень важно исследовать и понимать особенности структуры вирусных оболочек. Во-первых, вирусная оболочка содержит внутри геном, который с помощью этой оболочки проникнет в клетку-хозяина, если лекарственная терапия не нарушит какую-то из стадий этого процесса. Во-вторых, полученные результаты о самосборке и устройстве вирусных оболочек можно применять в других областях нанотехнологий, например, для создания наноконтейнеров для адресной доставки лекарств», – сообщил соавтор исследования и руководитель гранта РНФ, профессор кафедры нанотехнологий физического факультета ЮФУ Сергей Рошаль.
Капсид – внешняя оболочка вируса – состоит из отдельных белков и ассоциаций нескольких белков (капсомеров). Упорядоченную структуру оболочки формируют самособирающиеся белки и капсомеры. Капсид защищает генетический материал (ДНК или РНК) вируса от различных повреждений. На начальных стадиях заражения клетки капсид прикрепляется к клеточной мембране, разрывает ее и внедряет в клетку генетический материал вируса.
Вирусы имеют различные размеры и форму. Чаще всего сферическая по форме внешняя оболочка обладает кубическим (икосаэдрическим) типом симметрии. В этом случае капсомеры организуются в икосаэдр. Икосаэдр имеет 20 треугольных граней, 12 вершин, и обладает осями симметрии 2, 3 и 5 порядка. Ось симметрии – один из элементов симметрии кристаллов – это воображаемая прямая, при повороте вокруг которой на один и тот же угол равные части геометрической фигуры совмещаются. Таким образом, при каждом повороте на 180°, 120°, 72° грани у кристалла могут совместиться два, три и пять раз. Небольшим вирусам для построения сферы с такой симметрией необходимо менее 60 капсомеров, самособирающихся таким образом, что вирусная оболочка принимает структуру кристалла.
Коллаж, составленный из структур и моделей вирусных оболочек. Источник: Сергей Рошаль
Для анализа структуры сферических вирусных оболочек ученые используют развертку сфер (развернутую на плоскости поверхность геометрического тела). Только два вида правильных многогранников совместимы с вирусной симметрией. Это икосаэдр и додекаэдр – правильный многогранник, состоящий из 12 равносторонних пятиугольников.
Исследователи рассмотрели крупные вирусные оболочки, содержащие более 60 белков в рамках не привычной развертки икосаэдра, а развертки додекаэдра. Как оказалось, локальный порядок белков (закономерность расположения соседних молекул) в оболочках больших вирусов хорошо совместимым с додекаэдрической разверткой. Белки вынуждены занимать такое положение, что вирусная оболочка принимает структуру квазикристалла. Квазикристаллы могут обладать симметрией не только 5,3,2 порядка (икосаэдрической), но и 10, 12, 14, 18, 20 порядка.
«Главный вывод заключается в том, что симметрия, ставшая в XX веке фундаментальным базисом для исследования неживой природы физикой и химией, оказывается чрезвычайно важной для понимания процессов самосборки и матюрации (созревания, в результате которого вирус приобретает возможность заражать клетки) вирусов, занимающих таинственную, сумеречную область между живой и неживой природой. Мы выяснили, что вирусные оболочки гораздо ближе к кристаллам и к квазикристаллам, чем это считалось ранее», – сообщил соавтор исследования и руководитель гранта РНФ, профессор кафедры нанотехнологий физического факультета ЮФУ Сергей Рошаль.
Точная интерпретация структурной информации об устройстве вирусных оболочек играет ключевую роль в проектировании новых противовирусных средств. Результаты исследования помогут найти средства для антивирусной терапии еще на стадии сборки вируса.
