Ученые выяснили причины, по которым внешний белковый нанокристалл, самособирающийся вокруг циповирусов — паразитов насекомых, — разбирается в подходящий для заражения момент. Оказалось, что, когда вирус попадает в щелочную среду желудка насекомого, внешняя «броня» распадается, так как составляющие ее белки приобретают отрицательный заряд и начинают отталкиваться друг от друга. Предложенная модель детального устройства нанокристалла, содержащего циповирусы, полезна для создания белковых наноконтейнеров для адресной доставки лекарств в пораженные органы и ткани.

Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Nanoscale Advances.

Большинство вирусов покрыты белковой оболочкой — капсидом, который защищает вирусный геном от пагубного воздействия окружающей среды и транспортирует его в заражаемую клетку. Вирусные и другие подобные белковые оболочки можно модифицировать и использовать для адресной доставки лекарств в поврежденные ткани и органы. Однако для этого необходимо хорошо понимать законы и механизмы, определяющие их структуру и свойства, включая механизм саморазборки вирусных оболочек при инфицировании.

Ученые из Южного федерального университета (Ростов-на-Дону) с коллегами из Китая исследовали сложные белковые оболочки циповирусов, вызывающих кишечные инфекции у насекомых, включая знаменитого тутового шелкопряда. Эти вирусы уникальным тем, что их геном помимо капсида защищен еще и внешней оболочкой из белка полиэдрина, которую также называют вирусным полиэдром.

Полиэдрин в больших количествах вырабатывается зараженными клетками и образует кристаллы в форме куба, напоминающие по форме кристаллы обычной поваренной соли. При сборке вирусных частиц капсиды циповирусов встраиваются внутрь этих белковых кристаллов, тем самым обретая дополнительную защиту от неблагоприятных факторов внешней среды, например экстремальных температур и моющих средств, уничтожающих большинство других вирусов. При этом, когда циповирус попадает в желудок насекомого, он сбрасывает полиэдриновую «броню» и получает возможность инфицировать клетки насекомого.

Предыдущие исследования показали, что полиэдриновые кристаллы растворяются в щелочной среде желудка насекомых, однако почему это происходит и как именно капсиды встраиваются в полиэдры, оставалось неясным.

Авторы новой работы с помощью математических расчетов и 3D-моделирования белковых молекул смогли впервые определить детальное устройство вирусных полиэдров со встроенными в них капсидами циповирусов, что не удавалось другим исследовательским группам, полагающимся лишь на современную микроскопию. Несмотря на то что капсиды циповирусов имеют форму двадцатигранников, а вирусные полиэдры — кубическую форму, оболочка из полиэдрина, как установили исследователи, плотно прилегает к капсиду вируса. Такой плотный контакт — одна из причин невероятной стабильности образующейся структуры. Разработанная учеными модель показала, что внутри полиэдров могут образовываться полости или «гнезда», форма которых как раз подходит для размещения капсидов.

Ученые также определили причины разборки вирусного полиэдра в щелочной среде желудка насекомых. Расчеты показали, что в таких условиях белки этой оболочки приобретают отрицательный заряд и начинают отталкиваться друг от друга и от белков капсида, что приводит к разрушению полиэдра и высвобождению капсида.

Результаты работы могут быть использованы при проектировании наноконтейнеров для адресной доставки лекарств. Модифицируя белковые молекулы, можно влиять на то, какой заряд они будут иметь в тех или иных условиях и, соответственно, при какой кислотности будет происходить разборка контейнера и высвобождение его содержимого.

«На сегодняшний день наноконтейнеры для доставки лекарств часто пытаются делать на основе углеродных нанотрубок. Однако у них есть недостатки: не совсем понятно, при каких условиях и как полезные молекулы, присоединенные к нанотрубкам, будут отсоединяться, достигая нужных тканей. Кроме того, нанотрубки могут быть токсичны для организма. Наше исследование показало, что разборкой белковых полиэдриновых капсул можно легко управлять, что делает их удобнее нанотрубок. Белки присутствуют во всех клетках и тканях нашего организма, они абсолютно безопасны и нетоксичны», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Сергей Рошаль, доктор физико-математических наук, профессор кафедры «Нанотехнология» Южного федерального университета.

В дальнейшем авторы планируют разобраться, как на сборку и разборку капсидов влияет хиральность составляющих их белков, то есть отличия, подобные тем, что наблюдаются между правой и левой руками.