Anxious Albatross
Проверенный
Физики разработали теорию, которая описывает, как белковые молекулы в клетках самостоятельно складываются в полые многогранные наноконтейнеры. Оказалось, что их сборка подчиняется тем же принципам, что и рост кристаллов, а получившиеся структуры обладают локальным квазикристаллическим порядком. Такие белковые оболочки в природе выполняют важные биологические функции: ускоряют химические реакции, участвуют в работе иммунитета и транспортировке активных молекул, — а искусственное управление их архитектурой открывает путь к созданию адресных систем доставки лекарств, нанореакторов и биосовместимых платформ для диагностики и терапии заболеваний. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в Journal of the Royal Society Interface.
В живых клетках белковые молекулы часто собираются в полые структуры, напоминающие капсулы. В отличие от вирусных оболочек, такие наноконтейнеры не связаны с хранением и переносом генетического материала: они служат для хранения и перемещения важных веществ — например, витаминов и соединений железа, — а также действуют как ферменты и утилизируют неправильно свернутые белки. Обычно эти контейнеры небольшие — они состоят из 12–72 белковых «деталей», — но принципы их самоорганизации долгое время оставались не до конца понятны.
Знать эти правила важно: если понять, как белки сами находят свое место в оболочке, можно спроектировать искусственные аналоги — наноконтейнеры для точной доставки лекарств, платформы для медицинской диагностики и нанореакторы для проведения химических превращений в строго заданном месте.
Оболочки вирусов тоже самоорганизуются из белковых молекул, и принципы их сборки ранее описали ученые из Южного федерального университета (Ростов-на-Дону). Однако у вирусных оболочек и невирусных клеточных контейнеров разная геометрия. Для большинства вирусов характерна икосаэдрическая (двадцатигранная) симметрия и локальный порядок оболочки, напоминающий двумерный кристалл. Невирусные же оболочки чаще обладают более сложной тетраэдрической или октаэдрической симметрией (на основе правильных четырех- или восьмигранников соответственно) и могут включать сложные плотные группы из нескольких белковых молекул, которые ведут себя как единый структурный блок оболочки. Из-за этих различий прежние теории, разработанные для вирусных оболочек, не подходили напрямую для описания невирусных контейнеров.
В новом исследовании ученые впервые создали математическую модель, которая описывает принципы укладки невирусных белковых оболочек. В ее основе лежит теория Ландау, которую физики используют для описания изменений в веществе при упорядочении его молекул — например во время замерзания воды или роста кристаллов. Ключевая идея состояла в том, что сборка белковой оболочки — это тоже процесс упорядочения, только на кривой поверхности сферы, а не в привычном плоском пространстве.
Основа теории Ландау — так называемые волны плотности. Их удобно представлять как рябь на поверхности воды: гребни этой ряби задают, где именно в кристалле расположится очередная структурная единица — отдельный атом или молекула. Чтобы адаптировать теорию к сфере, исследователи использовали известные математические функции — сферические гармоники — те же волны, только на сферической поверхности.
В предложенном подходе гребни волн задают положение отдельных белков или их групп — капсомеров. При этом форма и симметрия сферических волн жестко связаны с симметрией самой оболочки: для тетраэдрической или октаэдрической формы годятся не любые волны, а лишь определенные их разновидности, что и объясняет, почему природа «выбирает» именно такие геометрические формы для белковых капсул.
Чтобы лучше понять принцип укладки белков, ученые с помощью компьютерного моделирования «развернули» сферические оболочки в плоские развертки — подобно тому, как глобус превращают в карту. Оказалось, что многие такие оболочки можно вырезать из структур, похожих на квазикристаллические мозаики. Именно поэтому многие невирусные белковые оболочки демонстрируют локальный квазикристаллический порядок с локальными осями симметрии, запрещенными для обычных кристаллов.
Более того, на примере 22 реально существующих оболочек авторы показали, что почти все связи между белками в них эквивалентны ребрам сферических квазирешеток, предсказанных теорией. Так, из 22 проанализированных структур лишь в четырех нашлись дополнительные связи, не укладывающиеся в идеальную мозаичную картину. Такое почти полное совпадение реальной сети контактов с теоретическим узором — сильный аргумент в пользу того, что модель описывает истинный физический механизм сборки.
Таким образом, новая теория позволяет при проектировании искусственных наноконтейнеров заранее предсказать, какие межбелковые контакты будут ключевыми и обязательными для устойчивости оболочки, а какие — второстепенными или дополнительными «усиливающими» связями. Это дает разработчикам ориентир, где именно стоит контролировать или модифицировать взаимодействия между структурными единицами, чтобы получить стабильный контейнер с заданными свойствами, не полагаясь на метод проб и ошибок.
«Разработанная теория позволяет не только описать уже известные структуры, но и предсказывать новые. Поэтому она упростит проектирование наноконтейнеров и нанореакторов для медицины и химии на базе реально существующих и еще не описанных, но теоретически возможных белковых оболочек. В дальнейшем мы планируем распространить разработанный подход на белковые оболочки с глобальной икосаэдрической симметрией — часть из них также обладает локальным квазикристаллическим порядком, и предварительные результаты показывают, что сферические волны плотности с одним или двумя параметрами хорошо описывают и такие структуры», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Сергей Рошаль, доктор физико-математических наук, профессор кафедры нанотехнологии ЮФУ.
Продолжить чтение...
В живых клетках белковые молекулы часто собираются в полые структуры, напоминающие капсулы. В отличие от вирусных оболочек, такие наноконтейнеры не связаны с хранением и переносом генетического материала: они служат для хранения и перемещения важных веществ — например, витаминов и соединений железа, — а также действуют как ферменты и утилизируют неправильно свернутые белки. Обычно эти контейнеры небольшие — они состоят из 12–72 белковых «деталей», — но принципы их самоорганизации долгое время оставались не до конца понятны.
Знать эти правила важно: если понять, как белки сами находят свое место в оболочке, можно спроектировать искусственные аналоги — наноконтейнеры для точной доставки лекарств, платформы для медицинской диагностики и нанореакторы для проведения химических превращений в строго заданном месте.
Оболочки вирусов тоже самоорганизуются из белковых молекул, и принципы их сборки ранее описали ученые из Южного федерального университета (Ростов-на-Дону). Однако у вирусных оболочек и невирусных клеточных контейнеров разная геометрия. Для большинства вирусов характерна икосаэдрическая (двадцатигранная) симметрия и локальный порядок оболочки, напоминающий двумерный кристалл. Невирусные же оболочки чаще обладают более сложной тетраэдрической или октаэдрической симметрией (на основе правильных четырех- или восьмигранников соответственно) и могут включать сложные плотные группы из нескольких белковых молекул, которые ведут себя как единый структурный блок оболочки. Из-за этих различий прежние теории, разработанные для вирусных оболочек, не подходили напрямую для описания невирусных контейнеров.
В новом исследовании ученые впервые создали математическую модель, которая описывает принципы укладки невирусных белковых оболочек. В ее основе лежит теория Ландау, которую физики используют для описания изменений в веществе при упорядочении его молекул — например во время замерзания воды или роста кристаллов. Ключевая идея состояла в том, что сборка белковой оболочки — это тоже процесс упорядочения, только на кривой поверхности сферы, а не в привычном плоском пространстве.
Основа теории Ландау — так называемые волны плотности. Их удобно представлять как рябь на поверхности воды: гребни этой ряби задают, где именно в кристалле расположится очередная структурная единица — отдельный атом или молекула. Чтобы адаптировать теорию к сфере, исследователи использовали известные математические функции — сферические гармоники — те же волны, только на сферической поверхности.
В предложенном подходе гребни волн задают положение отдельных белков или их групп — капсомеров. При этом форма и симметрия сферических волн жестко связаны с симметрией самой оболочки: для тетраэдрической или октаэдрической формы годятся не любые волны, а лишь определенные их разновидности, что и объясняет, почему природа «выбирает» именно такие геометрические формы для белковых капсул.
Чтобы лучше понять принцип укладки белков, ученые с помощью компьютерного моделирования «развернули» сферические оболочки в плоские развертки — подобно тому, как глобус превращают в карту. Оказалось, что многие такие оболочки можно вырезать из структур, похожих на квазикристаллические мозаики. Именно поэтому многие невирусные белковые оболочки демонстрируют локальный квазикристаллический порядок с локальными осями симметрии, запрещенными для обычных кристаллов.
Более того, на примере 22 реально существующих оболочек авторы показали, что почти все связи между белками в них эквивалентны ребрам сферических квазирешеток, предсказанных теорией. Так, из 22 проанализированных структур лишь в четырех нашлись дополнительные связи, не укладывающиеся в идеальную мозаичную картину. Такое почти полное совпадение реальной сети контактов с теоретическим узором — сильный аргумент в пользу того, что модель описывает истинный физический механизм сборки.
Таким образом, новая теория позволяет при проектировании искусственных наноконтейнеров заранее предсказать, какие межбелковые контакты будут ключевыми и обязательными для устойчивости оболочки, а какие — второстепенными или дополнительными «усиливающими» связями. Это дает разработчикам ориентир, где именно стоит контролировать или модифицировать взаимодействия между структурными единицами, чтобы получить стабильный контейнер с заданными свойствами, не полагаясь на метод проб и ошибок.
«Разработанная теория позволяет не только описать уже известные структуры, но и предсказывать новые. Поэтому она упростит проектирование наноконтейнеров и нанореакторов для медицины и химии на базе реально существующих и еще не описанных, но теоретически возможных белковых оболочек. В дальнейшем мы планируем распространить разработанный подход на белковые оболочки с глобальной икосаэдрической симметрией — часть из них также обладает локальным квазикристаллическим порядком, и предварительные результаты показывают, что сферические волны плотности с одним или двумя параметрами хорошо описывают и такие структуры», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Сергей Рошаль, доктор физико-математических наук, профессор кафедры нанотехнологии ЮФУ.
Продолжить чтение...