Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Вирусы занимают промежуточную область между живой и неживой природой и для своего размножения нуждаются в клетках организма-хозяина. Вирусные частицы состоят из генетического материала (генома) и защищающей его белковой оболочки (капсида). Процесс сборки капсида аналогичен процессу кристаллизации трехмерных кристаллов в неживой природе, и, как показывают многочисленные эксперименты, даже в отсутствие генома в водном растворе белки многих вирусов могут самособираться в полые вирусные частицы. Ясное понимание физических принципов, управляющих расположением белков в вирусных оболочках, созреванием вируса и процессом инфицирования, с одной стороны, дает ключ к разработке новых противовирусных стратегий. С другой стороны, эти же принципы могут быть использованы для создания биомиметических систем и новых материалов с заданными свойствами «снизу вверх». Несколько лет назад были получены интересные биомиметические белковые оболочки, состоящие из 24 одинаковых молекул, самособирающихся на липидной мембране и образующих структуру типа курносого куба. В ходе выполнения проекта мы построили общую феноменологическую теорию, основанную на теории кристаллизации Ландау и описывающую самосборку простейших хиральных и ахиральных белковых сферических структур типа вирусных оболочек [1]. Нами предложен метод, основанный на построении неприводимых функций плотности с определенной симметрией (октаэдрической или икосаэдрической) и позволяющий прогнозировать положения структурных единиц как в хиральных вирусных и биомиметических белковых оболочках, так и в хиральных и ахиральных абиотических нанокластерах. Наша теория развивает концепцию геодезических полиэдров и может быть также интересна научным группам, занимающимся синтезом нанокластеров и их разнообразными применениями. Сходство конструкции геодезических куполов со структурами икосаэдрических вирусов было использовано Каспаром и Клугом при разработке ставшей классической теории устройства икосаэдрических вирусных оболочек, состоящих из гексамеров и пентамеров – симметричных структурных блоков, содержащих 6 и 5 белковых молекул, соответственно. В таком капсиде всегда присутствует ровно 12 пентамеров, расположенных на осях 5-го порядка, а связи между всеми белками являются примерно одинаковыми или квазиэквивалентными, подобно связям в обычной кристаллической решетке. Однако за прошедшие годы было найдено большое количество вирусов с капсидами, построенными только из одного типа правильных капсомеров. Например, оболочки Папилломавирусов самособираются из 72 пентамеров, Цистовирусов - из димеров, а внешняя оболочка Флавивирусов - из тримеров. Мы разработали теорию, объясняющую самосборку и строение подобных ‘аномальных’ капсидов [2]. Для этого мы смоделировали капсомеры как жесткие правильные многоугольники, в вершинах которых находятся одинаковые диски. Внутри многоугольника диски могут перекрываться, а их центры совпадают с центрами тяжести белковых молекул. Процесс самосборки в нашей модели соответствует минимизации энергии одинаковых короткодействующих парных взаимодействий между вершинами соседних многоугольников, что и приводит к плотной (контактной) упаковке капсомеров. Наш подход выравнивает длины связей между ближайшими взаимодействующими белками и минимизирует количество локальных окружений в получаемых упаковках, полностью соответствуя принципу квазиэквивалентности, предложенному еще Каспаром и Клугом. Используя всего два параметра - число белков в капсомере и его эффективный размер – наша модель позволяет воспроизвести упаковки белковых молекул во многих вирусных оболочках, сформированных из одного типа капсомеров. Упомянутые выше Флавивирусы, которые включают более 50 видов и вызывают такие опасные заболевания как энцефалит и геморрагическая лихорадка, с точки зрения физики интересны тем, что имеют сложную трехслойную белок-липид-белковую оболочку, внешний слой которой к тому же претерпевает структурное превращение при созревании вируса. Используя недавно опубликованные экспериментальные данные, мы обнаружили скрытую симметрию данных оболочек. Иными словами, мы выявили определенные, не очевидные особенности упаковки белков в оболочке, которые могут играть важную роль в процессе жизненного цикла вируса [3]. Оказалось, что внешний и внутренний белковые слои оболочки Флавивирусов соразмерны (согласуются по структуре) друг с другом несмотря на то, что они разделены липидной мембраной. Во внешней оболочке незрелого Флавивируса белки формируют тригексагональную укладку, напоминающую узор кагоме (традиционный японский узор плетения бамбука), и вместе с белками внутренней оболочки образуют плотную упаковку, что, видимо, делает собирающуюся структуру более стабильной. Наша модель также объясняет причину, по которой в растворе, содержащем только лишь белки внешней оболочки Флавивирусов, формируются ошибочно собранные пустые капсиды меньшего радиуса. Как известно, вначале внешняя пористая оболочка Флавивирусов собирается из тримеров. Затем, при попадании в более кислую среду при движении вируса внутри клетки, эта оболочка трансформируется в более гладкую димерную. Процесс завершается отсоединением pr частиц, являющихся частью белков незрелой оболочки, в результате чего вирус приобретает способность заражать клетки. В ходе реализации проекта мы выяснили как и почему происходит перестройка внешней оболочки [2, 3]. Мы показали, что белки внешней оболочки обладают электрическим зарядом, который может достигать десятков элементарных зарядов e0 на молекулу в зависимости от уровня pH. При попадании в кислотную среду белки внешней оболочки Флавивирусов приобретают положительный заряд. Во-первых, это приводит к тому, что электростатические взаимодействия между этими белками изменяются, и собственная электростатическая энергия димерной упаковки становится ниже, чем тримерной. Во-вторых, положительно заряженные белки начинают притягиваться к мембране, содержащей отрицательно заряженные липиды, и оболочка стремится стать более гладкой и плотной. Как мы показали, возникающая структурная перестройка ведет к потере согласованности между внутренней и внешней оболочками. Кроме того, несмотря на то, что структурная перестройка внешней оболочки является общей для всех Флавивирусов, мы выяснили, что вклады разных электростатических взаимодействий в процесс могут отличаться от вируса к вирусу. В рамках разработанной модели нам также удалось объяснить механизм отсоединения pr частиц, завершающий формирование зрелого вируса. По результатам работы опубликовано 2 статьи в журналах Q1, включая статью [3] в высокорейтинговом журнале c IF=7.590. Статья [2] была включена в избранные работы «Popular Advances», вызвавшие наибольший интерес у научного сообщества. (https://pubs.rsc.org/en/journals/articlecollectionlanding?sercode=na&themeid=92192fd9-0adc-45a0-b524-6cb523eecede) среди опубликованных в Nanoscale Advances. Результаты исследований были представлены в 4 докладах на 2 всероссийских конференциях. Больше информации о нашей работе можно найти в пресс-релизах на сайте РНФ: https://rscf.ru/news/release/printsip-sozrevaniya-zashchitnoy-obolochki-virusnykh-chastits/ https://rscf.ru/news/release/virusy-pozaimstvovali-uzor-dlya-svoikh-obolochek-iz-yaponskogo-iskusstva-pleteniya-korzin/ 1. D.V. Chalin, S. B. Rochal, Landau theory and self-assembly of spherical nanoclusters and nanoparticles with octahedral symmetry, https://doi.org/10.48550/arXiv.2211.15210, submitted to Physical Review B. 2. S. B. Rochal, O. V. Konevtsova, D. S. Roshal, A. Božič, I. Y. Golushko and R. Podgornik, Packing and trimer-to-dimer protein reconstruction in icosahedral viral shells with a single type of symmetrical structural unit, Nanoscale Adv. Nanoscale Adv. 4(21), 4677-4688 (2022). 3. O. V. Konevtsova, I. Y. Golushko, R. Podgornik, S. B. Rochal, Hidden symmetry of the flavivirus protein shell and pH-controlled reconstruction of the viral surface, Biomater. Sci., 2023, Advance Article, https://doi.org/10.1039/D2BM01562E

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Большинство вирусов покрыты белковой оболочкой — капсидом, который защищает вирусный геном от пагубного воздействия окружающей среды и транспортирует его в заражаемую клетку. Такие белковые оболочки можно модифицировать и использовать для адресной доставки лекарств в поврежденные ткани и органы, но при одном условии – нужно хорошо понимать законы и механизмы, определяющие их структуру и свойства, в том числе механизм саморазборки вирусных оболочек при инфицировании. Мы исследовали сложные белковые оболочки циповирусов – вирусов, часто вызывающих кишечные инфекции у таких насекомых как, например, тутовый шелкопряд. Эти вирусы уникальным тем, что их геном помимо капсида защищен еще и внешней оболочкой из белка полиэдрина, также называемой вирусным полиэдром. Полиэдрин в больших количествах вырабатывается зараженными клетками и образует кристаллы в форме куба, визуально напоминающие 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. Современные экспериментальные методы не могут разрешить структуру интерфейса между вирусной оболочкой и матрицей белка полиэдрина, и мы предложили подход, основанный на теории симметрии, для ее прогнозирования. Мы обнаружили замечательное совпадение между поверхностями циповируса и внешней матрицей полиэдрина [1]. Совпадение возникает благодаря сохранению общей тетрагональной симметрии, обеспечивающей идеальные контакты тримеров полиэдрина с капсидными белками VP1 и VP5. Мы показали, что решающую роль во встраивании циповируса в матрицу полиэдрина играют VP5 белки, обладающие нуклеозидтрифосфатазной активностью. Кроме того, мы предложили электростатический механизм, который управляет разборкой вирусной суперструктуры, происходящей в щелочной среде кишечника насекомых. Результаты нашего исследования расширяют теоретическую базу для анализа других вирусных сверхструктур, а также разработки новых белковых наноконтейнеров на основе циповирусов для различных биотехнологических приложений. Мы продемонстрировали, что структуры малых вирусов и других оболочек, собирающихся из индивидуальных белков, соответствуют плотным упаковкам одинаковых асимметричных плиток на поверхности сферы [2]. Задача поиска таких упаковок является обобщением классической задачи Таммеса о плотных упаковках дисков на поверхности сферы. Для ее решения мы разработали новый энергетический подход, в котором плитки, повторяющие форму отдельных молекул белка, взаимодействуют короткодействующим парным потенциалом, зависящим от расстояния между ними и их взаимной ориентации. Поиск положений плиток, в которых энергия парных взаимодействий минимальна, позволяет получить их плотные упаковки. Проанализировав более 25 различных вирусных оболочек, мы продемонстрировали высокую степень соответствия между центрами масс белков и центрами плиток в сферических упаковках. Мы также показали, что в случае сильно анизотропных хиральных (не зеркально симметричных) плиток, упаковки, соответствующие минимуму энергии, не только правильно предсказывают положения и ориентации белков, но и обладают той же закрученностью, что и наблюдаемые в природе. Этот результат является шагом к пониманию связи между строго определенной закрученностью аминокислот (правой либо левой), определенной закрученностью белков и их упаковок – капсидов. Таким образом, новая модель поиска плотных упаковок асимметричных плиток на сфере – мощный инструмент для анализа структур вирусных капсидов и важный шаг в исследовании универсальных принципов устройства белковых оболочек в целом. Нами также была предложена новая феноменологическая термодинамическая теория [3], описывающая структуры икосаэдрических вирусных оболочек малого и среднего размера и основывающаяся на теории кристаллизации Л.Д. Ландау. В ее рамках мы рассмотрели образование вирусных оболочек как результат конденсации минимального числа критических икосаэдрических волн плотности на сферической поверхности. Как мы показали, в малых вирусных оболочках, самособирающихся из индивидуальных белков, максимумы одной критической волны плотности определяют положение центров масс белков, а пространственные производные второй волны задают ориентации белков на сферической поверхности оболочки. Средние вирусные оболочки в отличие от малых всегда собираются из уже собранных в растворе пентамеров и гексамеров (называемых капсомерами). Анализируя все подобные структуры, размещенные в архиве Protein Data Bank, мы показали, что положения капсомеров в этих оболочках определяется не более чем двумя критическими икосаэдрическими волнами плотности с близкими волновыми числами. Последний факт позволил нам объяснить наблюдаемое ограничение на предельный размер икосаэдрических оболочек, самособирающихся из пентамеров и гексамеров. В рамках схожей теории кристаллизации на сферической поверхности мы рационализировали устройство нескольких белковых хиральных наноконтейненров, обладающих геометрией курносого куба, а также устройство множества разнообразных абиотических ахиральных сферических нанокластеров с кубической симметрией [4]. Полученные результаты могут быть интересны для широкого круга исследователей и специалистов, занимающихся рационализацией устройства белковых вирусных и вирусо-подобных оболочек как с целью использования их в различных биотехнологических применениях, так и для разработки новых противовирусных стратегий. По результатам работы опубликовано 4 статьи в журналах Q1. Результаты исследований были представлены в 9 докладах на 4 всероссийских конференциях. Больше информации о нашей работе можно найти в пресс-релизах на сайте РНФ: https://rscf.ru/news/release/virus-v-kubicheskoy-brone-nayden-udobnyy-dostavshchik-lekarstv/ и других СМИ: https://inscience.news/ru/article/russian-science/grantmon-novaya-model-obolochki-virusov 1. O. V. Konevtsova, I. Y. Golushko, R. Podgornik and S. B. Rochal, Integration of Cypoviruses into polyhedrin matrix, Nanoscale Adv., 5, 4140-4148 (2023). 2. S. B. Rochal, O. V. Konevtsova, I. Y. Golushko and R. Podgornik, Close packings of identical proteins in small spherical capsids and similar proteinaceous shells. Soft Matter, 19(44), 8649-8658, (2023) 3. O. V. Konevtsova, D. V. Chalin, and S.B. Rochal, Theory of density waves and organization of proteins in icosahedral virus capsids. Phys. Chem. Chem. Phys., DOI: 10.1039/D3CP05384A, Accepted Manuscript (2024). 4. D. V. Chalin, and S.B. Rochal, Landau theory and self-assembly of spherical nanoclusters and nanoparticles with octahedral symmetry. Phys. Rev. B, 107(2), 024102 (2023).