Ученые описали биофизические принципы проникновения вирусов гриппа и иммунодефицита человека в клетки пораженного организма. Исследователи создали теоретическую модель, которая описывает механические свойства липидных мембран вирусов и атакуемых клеток, на основании которой они смогли связать механику мембран с устойчивостью клеток. Цикл статей за авторством ученых из ИФХЭ РАН им. А.Н. Фрумкина, НИТУ МИСиС, МФТИ и ряда других исследовательских центров с результатами работы опубликован в International Journal of Molecular Sciences (1, 2, 3).

Вызывающие многие опасные для человека заболевания вирусы, такие как вирус иммунодефицита человека, герпеса, гепатита, лихорадки Эбола и гриппа, проникают в клетки пораженного организма после того, как их оболочка сливается с мембраной клетки или ее органелл. Этому процессу помогают так называемые белки слияния, которые приводят в контакт липидную оболочки вируса и мембрану клетки-мишени.

Так как вирусы — это самые простые формы в живой природе, которые могут существовать лишь в роли паразита, и не могут самостоятельно производить энергию, их белки слияния могут атаковать мембраны только за счет изначально запасенной в них энергии. Механизм работы этих белков можно сравнить с пружинкам, которые в определенный момент «выстреливают» в мембрану инфицируемой клетки «якорь», за который они потом подтягивают клеточную мембрану к вирусной для запуска процесса слияния.

Из-за такого необычного механизма проникновения оказывается, что процесс вирусного инфицирования клетки зачастую зависит от упругости липидной мембраны клетки.То есть чем сложнее вирусным белкам механически деформировать клеточную мембрану, тем меньше вероятность того, что клетка будет инфицирована.

Разработанная авторами новой работы теоретическую модель предсказывает энергетические затраты, которые нужно понести вирусным белкам, чтобы их мембрана слилась с оболочкой жертвы. Помимо этого, следя за изменениями энергии этого процесса, биофизики обнаружили несколько альтернативных сценариев атаки, некоторые из которых заканчиваются победой вируса, тогда как в ряде других случаев образуется тупиковое состояние, которое вирус уже не в состоянии развернуть в свою пользу.

«Нас вдохновили эксперименты по исследованию вирусного слияния методами криоэлектронной микроскопии, — рассказывает соавтор исследования Тимур Галимзянов из НИТУ «МИСиС». — В них были обнаружены необычные структуры, не предсказанные ни одной из существующих теоретических моделей слияния мембран. Поэтому мы предложили свою модифицированную модель слияния, и показали, что обнаруженные структуры являются тупиковыми, не приводя к слиянию вируса с клеткой, и рассчитали, как структура вирусных белков слияния влияет на выбор пути этого процесса — успешного или тупикового».

Также оказалось, что на процесс слияния мембран влияют несколько ключевых факторов, каждому из которых было посвящено отдельное исследование. Три фактора, на которых авторы акцентируют свое внимание, — это геометрические параметры белков слияния, которые атакуют мембрану клетки-жертвы, pH окружающей среды, определяющий в том числе структуру белков, а также наличие так называемых «рафтов» (от английского raft, то есть «плот»). Ученые объяснили, как рафты — островки жестких молекул, относительно свободно перемещающихся по полужидкой клеточной мембране, — взаимодействуют с вирусными белками и играют решающую роль в выборе того, по какому из путей пойдет слияние. Результатом этой работы стал сравнительно простой вывод: в случае вируса иммунодефицита человека присутствие рафта в области атаки помогает слиянию, и, как следствие, успешному проникновению вирусного генетического материала в клетку.

Авторы подчеркивают, что полученные результаты в дальнейшем будут адаптироваться для более широкого класса объектов, хотя уже сейчас предсказания теоретической модели ставят важную задачу верификации для коллег-экспериментаторов. Если выводы о роли механических свойств клеточных мембран подтвердятся, это может стать важной отправной точкой в исследовании вирусных процессов и механизмов клеточной защиты.