Учёные ЮФУ раскрыли механизм самосборки белковых нанокапсул

Для создания сложных наноструктур не всегда нужен внешний «сборщик». Некоторые молекулы — в частности, белковые — способны самостоятельно выстраиваться в устойчивые замкнутые оболочки, так называемые нанокапсулы. Как именно это происходит и почему белки соединяются именно определённым образом, долгое время оставалось неясным. Учёные Южного федерального университета разработали математическую модель, которая объясняет этот процесс и позволяет предсказывать, как именно белки соберутся в оболочку.

Природные контейнеры с необычной геометрией
Белковые нанокапсулы состоят из нескольких десятков молекул и выполняют в клетках важнейшие функции: хранят витамины и соединения железа, работают как ферменты, участвуют в утилизации неправильно свёрнутых белков. В отличие от вирусных капсидов, невирусные белковые контейнеры не связаны с хранением и передачей генетического материала. У них иная геометрия: если большинство вирусных оболочек обладают икосаэдрической симметрией (20 граней), то невирусные чаще имеют тетраэдрическую (4 грани) или октаэдрическую (8 граней). В них встречаются необычные четырёх- и даже восьмикратные капсомеры — плотные группы из нескольких белковых молекул, которые ведут себя как единый структурный блок. Именно из-за этих различий прежние теории, разработанные для вирусов, не подходили для описания невирусных контейнеров.

Размер природных наноконтейнеров невелик: обычно они состоят всего из 12–72 белковых молекул. До появления работы ЮФУ не было понятно, как из отдельных элементов формируется устойчивая сферическая оболочка.

От теории Ландау к сферическим квазирешёткам
Исследователи кафедры нанотехнологии физического факультета ЮФУ предложили математическую модель, в основе которой лежит теория Ландау — физический метод, применяемый для описания процессов упорядочения вещества, например при росте кристаллов. Учёные предположили, что сборку белковой оболочки можно рассматривать похожим образом, но вместо плоской поверхности кристалла необходимо учитывать сферическую форму наноконтейнера.

Для этого использовались сферические гармоники — математический инструмент, позволяющий описывать волны на поверхности сферы. В модели такие «волны» задают расположение белковых молекул или их групп. Гребни этой «ряби» показывают, где именно расположится очередная структурная единица. Поскольку рябь «натянута» на сферу, она определяет симметрию всей оболочки — тетраэдрическую, октаэдрическую или другую.

Чтобы лучше понять принцип укладки белков, учёные с помощью компьютерного моделирования «развернули» сферические оболочки в плоские сетки — подобно тому, как глобус превращают в плоскую карту. Оказалось, что расположение белков напоминает квазикристаллическую мозаику: элементы упорядочены, но не образуют простого повторяющегося рисунка, как в обычных кристаллах. Именно этот принцип организации исследователи обнаружили в белковых оболочках.


Проверка на реальных структурах
Отдельный важный результат касается химических связей между белками. Теория предсказывает, какие контакты будут ключевыми для устойчивости оболочки, а какие — второстепенными. Авторы проверили модель на 22 существующих белковых структурах из базы данных Protein Data Bank: в 18 случаях межбелковые связи соответствовали тем, что предсказывает теория. Почти все они оказались топологически эквивалентны рёбрам сферических квазирешёток. Лишь в четырёх структурах обнаружились дополнительные связи, не укладывавшиеся в идеальную картину. Такое почти полное совпадение — сильный аргумент в пользу того, что модель отражает реальный физический механизм сборки.

Предложенная модель применима не к нескольким частным случаям, а к широкому классу структур. Ей соответствует почти половина всех известных симметричных ферментативных комплексов — свыше тысячи структур, — а также ряд шаперонов, транспортных белков и вирусоподобных наноклеток.

Перспективы: от фундаментальной науки к наномедицине
Понимание правил самоорганизации белков открывает путь к проектированию наноконтейнеров с заданными свойствами. Теория позволяет заранее определить, какие межбелковые контакты необходимы для устойчивости оболочки, а какие могут выполнять дополнительную функцию. Это даёт возможность искать нужную конфигурацию не методом проб и ошибок, а на основе расчётов.

В перспективе искусственные белковые наноконтейнеры могут использоваться для адресной доставки лекарств, создания диагностических платформ и нанореакторов, в которых химические реакции будут проходить в строго определённом месте.

Руководитель проекта, доктор физико-математических наук, профессор кафедры нанотехнологии ЮФУ Сергей Рошаль: «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 ещё не описанных, но теоретически возможных белковых оболочек. В дальнейшем мы планируем распространить подход на белковые оболочки с глобальной икосаэдрической симметрией — часть из них также обладает локальным квазикристаллическим порядком, и предварительные результаты показывают, что сферические волны плотности хорошо описывают и такие структуры».

Исследование выполнено Сергеем Рошалем, кандидатом физико-математических наук, доцентом кафедры нанотехнологии Ольгой Коневцовой и кандидатом физико-математических наук, старшим преподавателем кафедры общей физики Дмитрием Чалиным при поддержке гранта Российского научного фонда