Белковые оболочки, в которых вирусы хранят свой генетический материал, считаются удобной «упаковкой» для транспортировки значимых в медицине биологически активных веществ, например витаминов и лекарств. Поэтому ученых интересует структура вирусных белковых оболочек: принципы их построения, сборки и разборки. Знать это важно, чтобы понимать, как в такие наноконтейнеры «загружать» интересующие соединения, и как они потом будут высвобождаться в организме.
Большинство вирусных оболочек представляют собой сферические икосаэдры, поверхность которых можно геометрически разбить на множество маленьких примерно одинаковых треугольных ячеек, каждая из которых состоит из трех белков. В последние годы были также обнаружены аномальные сферические упаковки, образуемые чередующимися треугольниками и квадратами. Более того, несколько подобных оболочек ученые синтезировали искусственно. Однако до сих пор не существовало простой геометрической модели, которая бы ясно описывала принципы устройства квадратно-треугольных сферических структур и помогла бы предсказывать структуру новых подобных комплексов, потенциально способных доставлять в ткани различные лекарства.
Исследователи из Южного федерального университета (Ростов-на-Дону) с коллегой из Института физики Китайской академии наук (Китай) разработали теорию разверток таких структур — модель для конструирования наноконтейнеров на основе треугольных и квадратных элементов.
«Квадратно-треугольный мотив очень часто лежит в основе квазикристаллических структур — как металлических сплавов, так и различных систем, относящихся к мягкой материи. Квазикристаллы характеризуются "запрещенной" в обычных кристаллах симметрией и дальним порядком, образуемым чередованием ячеек нескольких разных типов. Как показал выполненный нами анализ протеиновой базы данных, в некоторых белковых оболочках встречается подобный мотив. Главная задача была в том, чтобы понять, как квазикристаллический порядок переносится на сферу», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Сергей Рошаль, доктор физико-математических наук, профессор кафедры «Нанотехнология» Южного федерального университета.
.jpg)
Модели треугольно-квадратных оболочек с разным числом вершин (от 36 до 138). Источник: Rochal et al. / Physical Review X, 2024
Авторы исследования считают, что квадратно-треугольный порядок энергетически выгоден лишь для относительно небольших оболочек. Если же вирусам требуется более крупная оболочка, то квадратно-треугольные мотивы уступают структурам на основе одних лишь треугольников. Однако, благодаря широкому спектру возможных функций, квадратно-треугольные белковые нанооболочки активно используются в лабораториях по всему миру как индивидуальные нанореакторы, средства адресной доставки лекарств и обнаружения антигенов, а также как искусственные органеллы (компоненты клетки), применяемые в материаловедении и синтетической биологии.
Исследователи не только объяснили принципы устройства существующих наноконтейнеров квазикристаллического типа, но и предсказали новые подобные структуры. В дальнейшем важно синтезировать предсказанные оболочки, а также выяснить, как управлять сборкой и разборкой таких наночастиц.
«Белковые наноконтейнеры — многообещающие кандидаты для все более широкого круга применений. Они нетоксичны, а потому безопасны для организма, что делает их более привлекательными для наномедицины, чем углеродные нанотрубки и многие другие системы доставки. Кроме того, изменяя, например, только кислотность или температуру окружающей среды, можно управлять их сборкой и разборкой. Поэтому мы будем исследовать соответствующие физико-химические механизмы и продолжим поиск новых вариантов устройства белковых оболочек», — подводит итог Сергей Рошаль.
Если вы хотите стать героем публикации и рассказать о своем исследовании, заполните форму на сайте РНФ
