Модель ученых ЮФУ позволит создавать стабильные белковые наноконтейнеры для лекарств

Учёные разработали математическую модель, которая описывает процесс самосборки белков в небольшие сферические оболочки, потенциально пригодные для доставки лекарственных средств. Эта модель позволяет определить условия, при которых формируются наиболее стабильные структуры из различного количества белков. Предсказания, сделанные по этой модели, могут быть использованы для создания синтетических наноконтейнеров, нанореакторов и материалов с заданными свойствами. Результаты исследования, финансируемого грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале The Journal of Physical Chemistry B.

Вирусы хранят свой генетический материал — ДНК или РНК — внутри защитной оболочки, называемой капсидом. Обычно капсиды имеют сферическую форму и состоят из множества одинаковых белковых элементов, собранных максимально плотно и по определённой симметрии. Однако процесс формирования таких оболочек очень сложен, поскольку белки должны располагаться не на плоскости, а в объёме сферы. Учёные стремятся понять, как белки находят свои места в окружающей их трёхмерной среде, чтобы использовать эти знания для проектирования стабильных наноконтейнеров для доставки медикаментов.

Учёные из Южного федерального университета создали математическую модель формирования небольших белковых оболочек из до 72 элементов, которые могут использоваться в качестве вирусных капсидов, ферментов или транспортных систем. Модель рассматривает сборку как последовательное добавление одинаковых притягивающихся частиц на поверхность сферы — каждый раз в наиболее энергоэффективной позиции, пока не заполнится вся сфера. Контролируя отношение размера сферы к размеру частиц, можно управлять структурой оболочек. Исследование показало 43 возможных упаковки, некоторые из которых совпадают с природными или синтезированными структурами, что свидетельствует о надежности модели для разработки стабильных белковых наноконтейнеров.

Руководитель проекта, профессор Сергей Рошаль, доктор физико-математических наук из ЮФУ, отметил, что модель показывает, что, регулируя всего два параметра — размер структурных единиц и сферическая подложка — можно создавать высокосимметричные оболочки с разной структурой. Например, при использовании 32 одинаковых частиц формируется классическая треугольная сетка, а уменьшение размера частиц для размещения 48 единиц приводит к образованию узоров из треугольников и квадратов. Такое поведение объясняется особенностями сферической геометрии, автоматически меняющей архитектуру «мозаики». Эти модели важны для разработки коллоидных систем, мицелл и белковых наноконтейнеров.

В будущем команда планирует изучать сборку с более сложными взаимодействиями, что расширит возможности получения новых оболочек. Ранее также было показано, что закономерности формирования тканей кожи и коралловых колоний описываются одними и теми же физическими принципами.