Новости

29 декабря, 2017 11:20

Ученые создали простую модель работы шприцеобразных наномашин

Источник: Газета.ru
Российские ученые из Южного федерального университета (ЮФУ) совместно с французскими коллегами построили модель, которая описывает принципы устройства и работы белковых шприцеобразных наномашин. Такие структуры широко распространены среди различных биологических объектов, в частности вирусов и некоторых бактерий. Полученные результаты будут полезны для разработки терапии инфекционных заболеваний, в экспериментах в области генной инженерии и биоинформатики. Работа выполнена при поддержке гранта Российского научного фонда (РНФ) и опубликована в высокорейтинговом журнале Nanoscale.
Фото: Найденная соразмерность между внутренней и сжатой внешней белковыми нанотрубками увеличивает эффективность работы шприцеобразных наномашин. Источник: Сергей Рошаль

Люди всегда жили с наномашинами – сложными или простыми в устройстве системами размером менее десятимиллионной доли метра. Например, вирусами. Эти формы жизни не способны размножаться вне клетки-хозяина, в которую им необходимо как-то проникнуть. Миллионы лет эволюции привели к возникновению особых структур, помогающих вирусу поместить внутрь свой генетический материал: ДНК или РНК. Наиболее успешным оказались шприцеобразные устройства из двух вставленных одна в другую трубок. При сокращении внешнего цилиндра внутренний протыкает мембрану, и по нему в клетку впрыскиваются информационные молекулы.

«Несмотря на то, что в общих чертах этот механизм известен уже несколько десятилетий, относительно точные данные о строении двух подобных систем, вируса бактерий бактериофага Т4 и белка пиоцина R2 – главного «вооружения» синегнойной палочки, получены лишь в последние пару лет. Бактериофаг T4 использует шприцеобразную наномашину для введения вирусной ДНК в свою жертву. Белки пиоцины R-типа, напротив, не впрыскивают какое-либо вещество в клетку, а разрушают ее, проделывая «дыру» в оболочке и нарушая электрохимическое равновесие. Мы построили простую модель на примере бактериофага T4 и пиоцина R2, объясняющую особенности устройства и работы шприцеобразных наномашин», – рассказывает профессор кафедры нанотехнологии физического факультета ЮФУ Сергей Рошаль.

Фото: профессор кафедры нанотехнологии физического факультета ЮФУ Сергей Рошаль. Источник: Сергей Рошаль

Две трубчатые органеллы наномашины: полая «шпага» и ее чехол – слаженно работают, обеспечивая успешное внедрение в клетку. При соприкосновении с поверхностью мембраны жертвы внешняя трубка, образованная слабо закрученными спиралями, претерпевает перестройку, сжимаясь и укорачиваясь. Одновременно с этим в игру включается спрятанная под внешней трубкой жесткая «шпага»: она обнажается и протыкает клетку. Сопутствующие этому механизму геометрические переходы связаны с наличием между трубками определенного соответствия в устройстве и размерах (соразмерности), впервые описанного авторами данной работы.

Любая работа требует затрат энергии, и все системы могут ее совершать лишь за счет своих внутренних «накоплений», потратить которые полностью нельзя. Этот принцип верен и для шприцеобразной наномашины. Наибольшей внутренней энергией обладает растянутое состояние чехла. Заключенная внутри «шпага» влияет на геометрию процесса сжатия, словно бы заставляя систему перейти в положение с минимальной энергией и совершить большую работу. По словам ученых, эта взаимосвязь была описана красивым в своей простоте соотношением между параметрами трубок (расстоянием и угловым сдвигом), изменяющимися при срабатывании наномашины. Появление соразмерности уменьшает как энергию взаимодействия самих шпаги и чехла, так и внутреннюю энергию системы. Полученный выигрыш позволяет увеличить силу, с которой «шпага» пробивает мембрану клетки, делая работу наномашины более эффективной.

«Исследование устройства и принципов функционирования шприцеобразной наномашины бактериофагов важно для антибактериальной терапии, особенно в случае развития у вредоносных микроорганизмов устойчивости к традиционным антибиотикам. Кроме того, бактериофаги являются перспективным вектором (наноконтейнером) для переноса участков ДНК в генной инженерии. Мы считаем, что обнаруженная нами закономерность устройства молекулярных наномашин может наблюдаться в других подобных, но пока еще мало изученных нанообъектах. Это, например, фагоподобные структуры, которые помогают морским животным ориентироваться в пространстве, шприцеобразные органеллы клетки и так далее. В любом случае знание о том, что трубки молекулярной наномашины могут стать соразмерными после ее срабатывания, позволит построить более точные структурные модели данных биологических систем», – заключает Сергей Рошаль.

14 июня, 2024
Обнаружен эффективный способ предсказания развития отдаленных метастазов при раке молочной железы
Ученые НИИ онкологии Томского национального исследовательского медицинского центра РАН обнаружили ...
14 июня, 2024
Природная аптека: ученые открыли способность растительных пигментов усиливать действие противогрибкового препарата
Российские ученые выяснили, что природные растительные пигменты флавонолы способны в несколько раз у...