Физические принципы самосборки вирусов и их взаимодействия с окружающей средой, в том числе с материалами, пригодными для создания противовирусных фильтров

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 22-12-00105

НазваниеФизические принципы самосборки вирусов и их взаимодействия с окружающей средой, в том числе с материалами, пригодными для создания противовирусных фильтров

Руководитель Рошаль Сергей Бернардович, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южный федеральный университет" , Ростовская обл

Конкурс №68 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе; 02-204 - Нано- и микроструктуры

Ключевые слова мягкая материя, вирусные оболочки, самосборка, теория вирусных оболочек Каспара и Клуга, скрытая симметрия, вирусные сверхструктуры, электростатические взаимодействия

Код ГРНТИ29.19.22, 29.19.03, 34.17.00

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Вирусные белковые оболочки (капсиды) и их разнообразные искусственные и естественные производные (например, вирусоподобные наночастицы и вирусные сверхструктуры) уже используются как в современной медицине, так и в нанотехнологиях для создания интеллектуальных наноматериалов на протеиновой основе. Данный проект посвящен изучению физических механизмов, контролирующих структуру и самосборку этих объектов, а также их взаимодействие с окружением. Такие исследования являются ключом к разработке антивирусных стратегий, средств адресной доставки лекарств, методов маркировки клеток, противовирусных фильтров, элементов питания и запоминающих устройств с использованием вирусных частиц. На первом этапе выполнения проекта мы рассмотрим структурные особенности и механизмы самоорганизации белковых капсидов, используя феноменологические и микроскопические теории. В рамках теории Ландау мы впервые рассмотрим белковые структуры, не поддающиеся описанию с использованием одного критического параметра порядка, и продолжим исследования особенностей организации протеинов в вирусных оболочках на основе теории скрытой симметрии. Мы также попытаемся связать наличие различных форм вирусных оболочек коронавируса и расположение топологических дефектов в них с расположением и механизмом встраивания в оболочки белковых шипов, контролирующих процесс инфицирования. Будет установлена роль электростатических взаимодействий при появлении ориентационного порядка капсомеров (структурных блоков, состоящих из 2,3,4,5 или 6 белковых молекул) в капсиде. Разработанные в рамках проекта модели учтут не только взаимодействия между структурными единицами капсида, но и их взаимодействие с окружающей средой (в частности, при фильтрации воздуха) и также будут использованы для рассмотрения процессов ошибочной сборки (mis-assembly) вирусных капсидов, приводящей к появлению различных полиморфных форм. Полученные в ходе реализации первой части проекта результаты будут затем использованы при изучении вирусных сверхструктур - микрообъектов кристаллической природы, которые образуют вирусы, защищаясь от пагубного воздействия окружающей среды. На втором этапе проекта мы впервые с точки зрения физики рассмотрим механизмы самосборки и 'саморазборки' этих систем (чаще всего имеющих полиэдрическую форму) при попадании вируса в благоприятную среду. Планируется поиск и анализ скрытых закономерностей расположения индивидуальных капсидов в вирусных сверхстуктурах. Будут выявлены неизвестные связи между симметрией и устройством капсидов и организацией защищающих вирус сверхструктур, включающих множество его копий в матрице белка полиэдрина. Полученные в ходе выполнения проекта фундаментальные знания о строении, функционировании и взаимодействии с окружением вирусов и вирусных сверхструктур внесут весомый вклад в теоретический базис современной вирусологии и наномедицины. Разработанные нами модели также будут применимыми для описания процессов самоорганизации в биомиметических системах, поскольку и самосборка вирусов, и самосборка объектов небиологического происхождения управляются одними и теми же принципами. Таким образом ожидаемые результаты реализации проекта будут актуальны и для нанотехнологий, основанных на применении протеиновых оболочек и их конгломератов.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Рошаль С.Б., Коневцова О.В., Рошаль Д.С., Божич А., Голушко И.Ю., Подгорник Р. Packing and trimer-to-dimer protein reconstruction in icosahedral viral shells with a single type of symmetrical structural unit Royal Society of Chemistry, Nanoscale Adv., 2022,4, 4677-4688 (год публикации - 2022)
10.1039/D2NA00461E

2. Коневцова О.В., Голушко И.Ю., Подгорник Р., Рошаль С.Б. Hidden symmetry of the flavivirus protein shell and pH-controlled reconstruction of the viral surface Royal Society of Chemistry, Biomater. Sci., 2023, Advance Article (год публикации - 2023)
10.1039/D2BM01562E

3. Рошаль Д. С., Федоренко К. К., Коневцова О. В., Рошаль С. Б., Подгорник Р. Моделирование самосборки и строения вирусных оболочек Тезисы докладов XVI Всероссийской школы "Математическое моделирование и биомеханика в современном университете", Издательство Южного федерального университета, стр. 85 (год публикации - 2022)

4. Рошаль С.Б., Коневцова О.К., Рошаль Д.C., Подгорник Р. Физическая вирусология: симметрия и электростатика Сборник тезисов XXXIV Симпозиума Современная химическая физика, Издательство Доблесть, стр.29 (год публикации - 2022)

5. Коневцова О.В., Рошаль Д.С., Рошаль С.Б., Подгорник Р. Многооболочечные вирусы: структура и физико-химические особенности инфицирования Сборник тезисов XXXIV Симпозиума Современная химическая физика, Издательство Доблесть, стр. 92 (год публикации - 2022)

6. Рошаль Д.С., Коневцова О.К., Рошаль С.Б., Подгорник Р. Изменение формы вирусных капсидов при их созревании и при изменении pH окружающего раствора Сборник тезисов XXXIV Симпозиума Современная химическая физика, Издательство Доблесть, стр.124 (год публикации - 2022)

7. Рошаль С.Б., Коневцова О.В., Голушко И.Ю., Подгорник Р. Close packings of identical proteins in small spherical capsids and similar proteinaceous shells Soft Matter, 19(44), 8649-8658 (год публикации - 2023)
10.1039/D3SM01106B

8. Коневцова О.В., Голушко И.Ю., Подгорник Р., Рошаль С.Б. Integration of Cypoviruses into polyhedrin matrix Nanoscale Advances, 5, 4140-4148 (год публикации - 2023)
10.1039/D3NA00393K

9. Чалин Д.В., Рошаль С.Б. Landau theory and self-assembly of spherical nanoclusters and nanoparticles with octahedral symmetry PHYSICAL REVIEW B, 107, 024102 (год публикации - 2023)
10.1103/PhysRevB.107.024102

10. Голушко И.Ю., Коневцова О.В., Подгорник Р., Рошаль С.Б. Как изменение электрических зарядов белков способствует их переупаковке в оболочках вирусов Зика и Денге при созревании СБОРНИК НАУЧНЫХ ТРУДОВ VII СЪЕЗДА БИОФИЗИКОВ РОССИИ: в 2 томах, том 1 – Краснодар: Типография ФГБОУ ВО «КубГТУ», СБОРНИК НАУЧНЫХ ТРУДОВ VII СЪЕЗДА БИОФИЗИКОВ РОССИИ: в 2 томах, том 1 – Краснодар: Типография ФГБОУ ВО «КубГТУ», стр. 292-293 (год публикации - 2023)
10.26297/SbR6.2023.001

11. Коневцова О.В., Голушко И.Ю., Подгорник Р., Рошаль С.Б. Особенности морфологии и механизм структурного превращения оболочки флавивируса при созревании СБОРНИК НАУЧНЫХ ТРУДОВ VII СЪЕЗДА БИОФИЗИКОВ РОССИИ: в 2 томах, том 1 – Краснодар: Типография ФГБОУ ВО «КубГТУ», СБОРНИК НАУЧНЫХ ТРУДОВ VII СЪЕЗДА БИОФИЗИКОВ РОССИИ: в 2 томах, том 1 – Краснодар: Типография ФГБОУ ВО «КубГТУ», стр. 325-326 (год публикации - 2023)
10.26297/SbR6.2023.001

12. Рошаль С.Б., Коневцова О.В., Голушко И.Ю., Подгорник Р. Скрытые симметрии белковых вирусных оболочек СБОРНИК НАУЧНЫХ ТРУДОВ VII СЪЕЗДА БИОФИЗИКОВ РОССИИ: в 2 томах, том 1 – Краснодар: Типография ФГБОУ ВО «КубГТУ», СБОРНИК НАУЧНЫХ ТРУДОВ VII СЪЕЗДА БИОФИЗИКОВ РОССИИ: в 2 томах, том 1 – Краснодар: Типография ФГБОУ ВО «КубГТУ», стр. 348-349 (год публикации - 2023)
10.26297/SbR6.2023.001

13. Голушко И.Ю., Коневцова О.В., Подгорник Р., Рошаль С.Б. Электростатическая модель, описывающая процесс созревания оболочек вирусов Денге и Зика. Сборник тезисов XXXV Симпозиума "Современная химическая физика", Издательство доблесть, Сборник тезисов XXXV Симпозиума "Современная химическая физика" стр.71 (год публикации - 2023)

14. Коневцова О.В. Голушко И.Ю., ,Подгорник Р., Рошаль С.Б. Физико-химические механизмы управляющие созреванием флавивирусов Сборник тезисов XXXV Симпозиума "Современная химическая физика", Издательство доблесть, Сборник тезисов XXXV Симпозиума "Современная химическая физика" стр.101 (год публикации - 2023)

15. Рошаль С.Б., Коневцова О.В., Рошаль Д.С., Подгорник Р. Особенности упаковки белков в икосаэдрических вирусных оболочках, состоящих из одинаковых структурных единиц Сборник тезисов XXXV Симпозиума "Современная химическая физика", Издательство доблесть, Сборник тезисов XXXV Симпозиума "Современная химическая физика" стр.145 (год публикации - 2023)

16. Чалин Д.В., Рошаль С.Б. Теория Ландау и самосборка сферических нанокластеров и наночастиц с кубической симметрией Сборник тезисов XXXV Симпозиума "Современная химическая физика", Издательство доблесть, Сборник тезисов XXXV Симпозиума "Современная химическая физика" стр.166 (год публикации - 2023)

17. Коневцова О.В., Чалин Д.В., Рошаль С.Б. Theory of density waves and organization of proteins in icosahedral virus capsids Physical Chemistry Chemical Physics, Phys. Chem. Chem. Phys., 2024, Accepted Manuscript (год публикации - 2024)
10.1039/D3CP05384A

18. Рошаль Д. С., Федоренко К. К., Серегина К. Ю., Коневцова О. В., Рошаль С. Б. Деформации и нарушения локальной симметрии в вирусных оболочках Математическое моделирование и биомеханика в современном университете: тезисы докладов XVII Всероссийской школы., Математическое моделирование и биомеханика в современном университете: тезисы докладов XVII Всероссийской школы. Ростов-на-Дону ; Таганрог : Издательство Южного федерального университета, 2023, стр. 98 (год публикации - 2023)

19. Рошаль Д. С., Коневцова О. В., Рошаль С. Б. Деформации капсомеров в вирусных оболочках Современные проблемы механики сплошной среды: тезисы докладов XXI Международной конференции, Современные проблемы механики сплошной среды: тезисы докладов XXI Международной конференции. Южный федеральный университет. – Ростов-на-Дону; Таганрог: Издательство Южного федерального университета, 2023. стр. 102 (год публикации - 2023)

20. Рошаль С.Б., Рошаль А.С., Коневцова О.В., Подгорник Р. Proteinaceous Nanoshells with Quasicrystalline Local Order Physical Review X, 14, 031019 (год публикации - 2024)
https://doi.org/10.1103/PhysRevX.14.031019

21. Коневцова О.В., Рошаль С.Б., Голушко И.Ю., Подгорник Р. Белковые оболочки как плотные упаковки анизотропных структурных единиц Сборник тезисов XXXVI СИМПОЗИУМА «СОВРЕМЕННАЯ ХИМИЧЕСКАЯ ФИЗИКА», стр. 87 (год публикации - 2024)

22. Рошаль С.Б., Коневцова О.В., Рошаль А.C., Подгорник Р. Квазикристаллические мотивы в белковых оболочках Сборник тезисов XXXVI СИМПОЗИУМА «СОВРЕМЕННАЯ ХИМИЧЕСКАЯ ФИЗИКА», стр. 33 (год публикации - 2024)

23. Голушко И.Ю., Рошаль С.Б., Рошаль Д.С., Коневцова О.В., Подгорник Р. Electrostatic interactions and structural transformations in viral shells Nanoscale, 16, 20182-20193 (год публикации - 2024)
DOI https://doi.org/10.1039/D4NR02612H

24. Чалин Д.В., Рошаль С.Б. Conceptual model of electrostatic non-ionizing air filter Physica Scripta, 99, 115025 (год публикации - 2024)
https://doi.org/10.1088/1402-4896/ad852b

25. Голушко И.Ю., Коневцова О.В., Подгорник Р., Рошаль С.Б. Устройство и электростатический механизм разборки белковых сверхструктур циповирусов Сборник тезисов докладов Молодежной Школы по физике конденсированного состояния (Школа ФКС-2024) 11 - 15 марта 2024 года, пос. Лосево, Ленинградская область, стр. 26 (год публикации - 2024)

26. Чалин Д.В., Коневцова О.В., Рошаль С.Б. Теория волн плотности и устройство белковых оболочек малых и средних вирусов с икосаэдрической симметрией Сборник тезисов докладов Молодежной Школы по физике конденсированного состояния (Школа ФКС-2024), стр. 110 (год публикации - 2024)

27. Коневцова О.В., Голушко И. Ю., Подгорник Р., Рошаль С. Б. Плотные упаковки идентичных белков в малых сферических белковых оболочках МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И БИОМЕХАНИКА В СОВРЕМЕННОМ УНИВЕРСИТЕТЕ Сборник Тезисов докладов XVIII Всероссийской школы. Ростов-на-Дону, 2024 Издательство: Южный федеральный университет, Ростов-на-Дону, стр. 53 (год публикации - 2024)

28. Рошаль С.Б., Чалин Д.В., Коневцова О.В. Теория волн плотности Ландау и организация протеинов в икосаэдрических вирусных оболочках МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И БИОМЕХАНИКА В СОВРЕМЕННОМ УНИВЕРСИТЕТЕ Сборник Тезисов докладов XVIII Всероссийской школы. Ростов-на-Дону, 2024 Издательство: Южный федеральный университет, Ростов-на-Дону, стр. 90 (год публикации - 2024)

29. Голушко И.Ю., Коневцова О.В., Подгорник Р., Рошаль С.Б. Устройство и принцип работы уникальных белковых сверхструктур, образуемых циповирусами Сборник тезисов XXXVI СИМПОЗИУМА «СОВРЕМЕННАЯ ХИМИЧЕСКАЯ ФИЗИКА», стр. 56 (год публикации - 2024)

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Оболочки вирусов (капсиды) служат для доставки генетического материала к заражаемой клетке, где новые капсиды собираются из множества копий одного или нескольких белков. Как известно белки обладают электростатическим зарядом, который зависит от pH буферного раствора. Именно поэтому многие этапы жизненного цикла вируса управляются уровнем кислотности окружающей среды. Например, изменение кислотности может запускать созревание (матюрацию) вирусной оболочки – завершающий этап формирования способного заражать клетки вируса. Этот процесс часто сопровождается изменением формы, размеров и даже способа упаковки белков в капсиде. Мы разработали модель [1], рассматривающую вирус как упругую тонкую оболочку со встроенными в нее точечными зарядами. Расположение зарядов отражает расположение белков в капсиде, а их величина рассчитывается на основании уровня pH и структурных данных из открытой базы данных Protein Data Bank (PDB). Вначале мы продемонстрировали, как изменение уровня pH приводит к наблюдаемым превращениям в структуре оболочек семейств Bromoviridae, Cystoviridae и Tetraviridae. Затем мы адаптировали модель для исследования механизмов, управляющих формообразованием оболочек коронавирусов [1]. Липидно-белковые оболочки этих вирусов гораздо менее жесткие, чем чисто белковые оболочки рассмотренных нами ранее семейств. Они могут иметь круглую, цилиндрическую и даже конусообразную форму и покрыты белковыми шипами, которыми вирусы прикрепляются к заражаемой клетке. Мы обнаружили корреляцию между расположением шипов и формой оболочки: в сферических оболочках шипы распределены по поверхности примерно равномерно, в конических и цилиндрических – на одном и двух концах соответственно. Нам удалось воспроизвести все характерные типы оболочек коронавирусов и объяснить связь между их формой и расположением шипов. Оказалось, что хотя кривизна оболочки может локально увеличиваться за счет электростатического расталкивания между заряженными шипами, основным формообразующим механизмом является увеличение кривизны за счет связывания с шипами структурного М белка, содержащегося в оболочке. Построенная нами теория и развитая модель выявляют ключевые механизмы, управляющие созреванием вирусных оболочек разных семейств, что может быть полезно при разработке антивирусных стратегий, направленных на нарушение этого процесса. Среди различных белковых наноконтейнеров и наночастиц наиболее перспективными для различных приложений в нано- и медицинской науке представляются те, чьи структуры принципиально отличаются от икосаэдрических вирусных капсидов. Такие оболочки по сравнению с вирусами в среднем состоят из меньшего числа белков, но выполняют важные функции в живых организмах. Они могут взаимодействовать с ДНК, действовать как ферменты или служить наноконтейнерами для различных молекул, включая токсичное железо, железосерные соединения, витамин Е и даже неправильно свернутые белки. Анализируя такие аномальные оболочки, представленные в PDB, мы идентифицировали ряд структур с квадратно-треугольным локальным порядком и обнаружили, что большинство из них происходят из квадратно-треугольных квазикристаллических аппроксимант [2]. Такие аппроксиманты не могут быть получены проекционными методами обычной многомерной кристаллографии, поэтому мы разработали новый метод их построения, основанный на приближении неравновесного роста квазикристаллического кластера. Мы построили простейшие модели тетрагональных, октаэдрических и икосаэдрических оболочек на основе соответствующих разверток, вырезанных из структур периодических аппроксимант. Предложенная теория не только описывает известные белковые оболочки, но и предсказывает пока еще необнаруженные [2], что должно простимулировать их экспериментальный поиск. Мы разработали концептуально новую модель электростатического неионизирующего воздушного фильтра для захвата респираторных капель [3]. Модель основана на эффекте диэлектрической поляризации электрически нейтральных сферических капель, содержащих вирусные частицы, которые движутся в воздушном потоке, направленном на массив заряженных цилиндрических электродов. Как мы показали, электрическое поле, создаваемое электродами, может быть достаточно мало, чтобы исключить коронный разряд и минимизировать ионизацию воздуха, но в то же время достаточно велико, чтобы под его действием респираторные капли размером порядка 10 мкм и больше осаждались на электроды. Мы рассчитали эффективность захвата капель в приближении квази-непрерывного распределения электродов и смоделировали осаждения респираторных капель на дискретном компактном периодическом массиве электродов, расположенных в узлах квадратной решетки. Как мы продемонстрировали, предлагаемая система фильтрации является весьма эффективной для захвата респираторных капель. В частности, для фильтрующего элемента шириной всего 5 мм эффективность фильтрации для частиц с радиусом 10 мкм превышает 90%, и для частиц с радиусом больше 20 мкм уже приближается к 100%. Больше информации о работе нашей группы можно найти в двух новостях на сайте РНФ и на сайтах других СМИ: https://naked-science.ru/article/column/faktory-vliyayushhie; https://www.kommersant.ru/doc/7180081. Группа сделала 6 устных докладов на всероссийских конференциях (из них 1 - пленарный), опубликовала 3 работы в журналах, индексируемых в ядре WoS, включая статью в журнале, входящем в топ 2% по физике и астрономии. I. Y. Golushko, D. S. Roshal, O. V. Konevtsova, S. B. Rochal and R. Podgornik, Electrostatic interactions and structural transformations in viral shell, Nanoscale 16, 20182-20193 (2024). (Q1) 2. S. B. Rochal, A. S. Roshal, O. V. Konevtsova and R. Podgornik, Proteinaceous Nanoshells with Quasicrystalline Local Order, Phys. Rev. X 14, 031019 (2024). (Q1) 3. D. V. Chalin, and S.B. Rochal, Conceptual model of electrostatic non-ionizing air filter, Phys. Scr., 99, 115025 (2024). (Q2)

Публикации

Возможность практического использования результатов
Представленные в пунктах 1-4 раздела 5.3 модели и подходы представляют существенный общий интерес для физической вирусологии: мы прояснили общие физико-химические принципы, управляющие структурой и образованием вирусных и вирусоподобных белковых оболочек и абиотических объектов типа кристаллов и нанокластеров. С практической точки зрения полученные результаты полезны как для развития противовирусных стратегий, так и разнообразных нано- биотехнологий, основанных на использовании наноконтейнеров. Белковые наноконтейнеры нетоксичны, а потому безопасны для организма, что делает их более привлекательными для различных медицинских применений, чем, например, углеродные нанотрубки и многие другие системы доставки. Разработанные нами походы проясняют принципы структурной организации белковых наноконтейнеров и включения в них грузов. Для адресной доставки лекарств важно, что нам удалось разобраться с некоторыми аспектами разборки белковых оболочек, вызываемой изменением pH окружающей среды. Мы также надеемся, что предложенная нами идея неионизирующих воздух противовирусных электростатических фильтров будет воплощена в конкретных относительно простых бытовых устройствах.