Новое исследование объясняет, как формируются большие вирусные оболочки

        

Вирус, самый простой физический объект в биологии, состоит из белковой оболочки, называемой капсидом, которая защищает его нуклеиново-кислотный геном – РНК или ДНК. Капсид может быть цилиндрическим или коническим по форме, но чаще он предполагает икосаэдрическую структуру, как футбольный мяч.

Капсидное образование является одним из наиболее важных этапов процесса вирусной инфекции. Если вирус мал, капсид образуется спонтанно. Однако более крупные сферические вирусы, такие как вирус простого герпеса или вирус инфекционных бурсальных заболеваний, нуждаются в помощи естественно произведенных «бетонов леса», которые служат в качестве матрицы, направляющей образование капсида. Как эти большие вирусные оболочки собираются в высокосимметричные структуры, не совсем понятны.

Группа физиков и вирусолог, возглавляемая ученым из Калифорнийского университета в Риверсайд, в настоящее время опубликовала исследовательскую работу в Трудах Национальной академии наук в которой объясняется, насколько велики вирусные оболочки формируется. Их работа также может быть использована для объяснения того, как образуются крупные сферические кристаллы.

Это понимание может помочь исследователям прервать формирование вирусов, содержащих распространение вирусных заболеваний.

Опираясь на теорию, называемую теорией упругости континуума, исследователи изучали рост крупных сферических капсидов. Они показали, что шаблон направляет образование субъединиц белка капсида – отдельных строительных блоков оболочки – таким образом, что это безошибочно и, в конечном итоге, приводит к высокосимметричной, устойчивой икосаэдрической структуре.

«По мере роста сферической структуры мы видим глубокие потенциальные ямы – или сродства – в математически определенных местах, которые позже становятся вершинами икосаэдрической структуры, – говорит Ройя Занди, профессор факультета физики UCR и Астрономия, возглавлявшая исследовательский проект. «В отсутствие этого шаблона, обеспеченного белками лесов, белковые субъединицы часто собираются в более мелкие, менее стабильные структуры».

Исследование включает компьютерное моделирование и сложную математику – в частности, топологию, которая представляет собой математическое исследование свойств геометрической фигуры или твердого тела, которые не изменяются растяжением или изгибом. На фундаментальном уровне он объясняет, какую роль играют механические свойства строительных блоков и бетонных белков в образовании капсидов. Для больших капсидов, которые предполагают стабильные икосаэдрические структуры, белковые субъединицы должны обладать определенными физическими свойствами. Далее, взаимодействие между белковыми субъединицами и шаблоном необходимо, считают исследователи.

Икосаэдр представляет собой геометрическую структуру с 12 вершинами, 20 гранями и 30 сторонами. Официальный футбольный мяч – это своего рода икосаэдр, называемый усеченным икосаэдром; он имеет 32 панели, вырезанных в форме 20 шестиугольников и 12 пятиугольников. Он имеет 60 вершин и 90 ребер. Пентагоны отделены друг от друга шестиугольниками. Все икосаэдрические структуры, независимо от их размера, должны иметь всего 12 пентагонов.

Занди объяснил икосаэдр, ссылаясь на проблему Томсона, в которой говорится, что точечные заряды, помещенные на поверхность единичной сферы, минимизируют полную энергию системы. Решения проблемы ставят каждый пункт заряда таким образом, чтобы его ближайшие соседи были как можно дальше.

«Если у вас есть сферический проводник, и вы положите на него 12 электронов, они захотят быть как можно дальше друг от друга», – сказала она. «Они заканчиваются на вершинах икосаэдра. Учитывая это знание, когда растет оболочка вируса, тогда, основываясь на теории эластичности, вам понадобится по крайней мере 12 дефектных точек, называемых дисклинациями. Представьте, что вам пришлось обернуть лист из бумаги вокруг сферы. Вы должны были бы свернуть бумагу в определенные моменты, чтобы она могла принять сферическую форму. Это точки дисклинации, и их нельзя избежать. Если вы должны были сделать сферическую оболочку, используя маленькие треугольники, вы нужно было бы сделать 12 пентагонов. Без 12 пятиугольников сферическая форма невозможна ».

Занди подчеркнул, что для более эффективного нападения на вирусы необходимо твердое понимание того, как они формируются, что может информировать исследователей о лучших способах прерывания их формирования и, следовательно, сдерживать распространение вирусных заболеваний.

«Когда вирус большой, как белковые субъединицы знают, как устроить себя, чтобы сформировать наиболее стабильную оболочку, возможно, икосаэдрическую?» она добавила. «Где должна появиться первая дисклинация? А как насчет следующей? Как тысячи субъединиц белка объединяются вместе и образуют икосаэдрические структуры с такой точностью и симметрией? И какова роль белков леса? Почему большие стабильные оболочки не образуются без белки для строительных лесов? Эти вопросы руководили нашими исследованиями ».

Занди объяснил, что каждая белковая субъединица имеет энергию изгиба, а это означает, что субъединица предпочитает встречать другую субъединицу под определенным углом. Для небольшой икосаэдрической структуры этот угол мал и острый. Но чтобы сформировать большую икосаэдрическую структуру или капсид, этот угол большой и тупой и требует помощи, оказываемой бетонами лесов. Без этой помощи белковые субъединицы образуют бесконечную длинную трубку, потому что это усилие требует меньше энергии.

«Сейчас мы показываем, что эта тенденция сорвана белками лесов, которые заставляют белковые субъединицы слегка согнуть, пристегнуть и сформировать 12 пятиугольников, что затем приводит к образованию икосаэдрической структуры», – сказал Занди. «Наше исследование доказывает, что без этих лесов невозможно сформировать большую высокостабильную икосаэдрическую оболочку».

Вирусы – лучшие нано-контейнеры, сказал Занди. Они могут использоваться для доставки наркотиков к конкретным целям организма, потому что они особенно умеют достигать клеток. Например, вирусы могут быть сделаны для перевозки грузов, таких как геномы и наркотики, в терапевтических целях для раковых клеток.

«Антиагрегатные препараты могут быть более эффективными, чем другие препараты, потому что вирусная пригодность особенно чувствительна к мутациям на конкретных интерфейсах сборки», – сказал Занди. «Действительно, недавно были разработаны небольшие молекулы, которые запрещают репликацию определенных вирусов с помощью подобных механизмов».

Вирусы не дышат, не метаболизируются и не растут. Но они воспроизводят. Простейший вирус имеет оболочку из 60 субъединиц белка. Три асимметричные белки субъединицы занимают каждую треугольную грань, и все 60 субъединиц эквивалентны друг другу. Для сложных вирусов количество субъединиц кратно 60.

Источник:

https://news.ucr.edu/articles/2018/11/02/physicists-explain-how-large-spherical-viruses-form

      

Source link