Российские математики создали модель для сборки белковых наноконтейнеров под лекарства
Российские ученые создали математическую модель, которая позволяет точно просчитывать, как белки самоорганизуются в небольшие сферические оболочки, которые можно использовать для доставки лекарств.
Источник: Сергей Рошаль / ЮФУ. a) Оболочка из 32 белковых частиц (капсомеров) — капсид Омега-вируса нудаурелии капской. Центры капсомеров образуют треугольную решетку. b) Оболочка из 48 частиц с квадратно-треугольным порядком. Это структура аллофикоцианина B — уникального комплекса цианобактерий и красных водорослей, извлекающего энергию из света.
МОСКВА, 14 апреля. /Новости науки/. Ученые из Южного федерального университета создали математическую модель, которая описывает, как белки самособираются в небольшие сферические оболочки. Такие структуры можно использовать как наноконтейнеры для доставки лекарств, а также при создании нанореакторов и новых материалов с заданными свойствами. Результаты исследования опубликованы в журнале The Journal of Physical Chemistry B, сообщает пресс-служба РНФ.
«Наша модель показывает, что, контролируя всего два параметра — размер структурных единиц и размер сферической подложки, на которой они собираются, — можно получать высокосимметричные оболочки с принципиально различным устройством», — рассказал руководитель проекта, доктор физико-математических наук Сергей Рошаль.
Как поясняют исследователи, в природе похожим образом устроены вирусные капсиды — белковые оболочки, в которых вирусы хранят свою ДНК или РНК. Обычно такие оболочки имеют почти сферическую форму и состоят из множества одинаковых белковых элементов, уложенных максимально плотно и симметрично.
Однако сам процесс их сборки очень сложен. Если на плоскости одинаковые элементы можно расположить сравнительно просто, то на поверхности сферы возникают дополнительные геометрические ограничения. Именно поэтому ученым важно понять, как белки «находят» свои места при сборке таких структур.
Авторы новой работы описали этот процесс математически для небольших белковых оболочек, состоящих не более чем из 72 элементов. Подобные миниатюрные структуры могут быть не только вирусными оболочками, но и ферментными комплексами или транспортными системами для переноса веществ.
В модели оболочка рассматривается как упаковка одинаковых белковых частиц, которые притягиваются друг к другу на поверхности сферы. На каждом этапе к уже собранной структуре добавляется новая частица — в ту точку, где ее размещение оказывается наиболее выгодным с точки зрения энергии. После этого вся система немного перестраивается, снимая внутренние напряжения, и затем процесс повторяется.
По сути, это похоже на сборку мозаики, в которой на каждом шаге добавляется один новый элемент, а вся картина постепенно принимает устойчивую форму.
Расчеты показали, что, меняя только отношение размера сферы к размеру самих частиц, можно управлять итоговой архитектурой оболочки. Всего ученые смоделировали 43 варианта упаковки из 12-72 частиц.
При этом многие из предсказанных моделью структур совпали с оболочками, которые уже известны в природе или были получены ранее искусственно. Это, по словам авторов, подтверждает, что модель корректно описывает реальные процессы и может использоваться для разработки новых белковых наноконтейнеров.
Исследователи приводят наглядный пример: если оболочка состоит из 32 одинаковых элементов, они образуют обычную треугольную решетку. Но если немного уменьшить размер частиц и разместить на той же сфере уже 48 элементов, структура меняется, и вместо одной только треугольной сетки возникает более сложный узор из треугольников и квадратов.
По мнению авторов, именно сферическая геометрия заставляет систему переходить от одной схемы укладки к другой. А поскольку устройство таких оболочек напрямую влияет на их свойства, возможность заранее предсказывать и проектировать их форму особенно важна.
В дальнейшем ученые планируют распространить модель на частицы с более сложным характером взаимодействий, что позволит получать еще более разнообразные белковые оболочки и расширит возможности их практического применения в медицине и материаловедении.
«Наша модель показывает, что, контролируя всего два параметра — размер структурных единиц и размер сферической подложки, на которой они собираются, — можно получать высокосимметричные оболочки с принципиально различным устройством», — рассказал руководитель проекта, доктор физико-математических наук Сергей Рошаль.
Как поясняют исследователи, в природе похожим образом устроены вирусные капсиды — белковые оболочки, в которых вирусы хранят свою ДНК или РНК. Обычно такие оболочки имеют почти сферическую форму и состоят из множества одинаковых белковых элементов, уложенных максимально плотно и симметрично.
Однако сам процесс их сборки очень сложен. Если на плоскости одинаковые элементы можно расположить сравнительно просто, то на поверхности сферы возникают дополнительные геометрические ограничения. Именно поэтому ученым важно понять, как белки «находят» свои места при сборке таких структур.
Авторы новой работы описали этот процесс математически для небольших белковых оболочек, состоящих не более чем из 72 элементов. Подобные миниатюрные структуры могут быть не только вирусными оболочками, но и ферментными комплексами или транспортными системами для переноса веществ.
В модели оболочка рассматривается как упаковка одинаковых белковых частиц, которые притягиваются друг к другу на поверхности сферы. На каждом этапе к уже собранной структуре добавляется новая частица — в ту точку, где ее размещение оказывается наиболее выгодным с точки зрения энергии. После этого вся система немного перестраивается, снимая внутренние напряжения, и затем процесс повторяется.
По сути, это похоже на сборку мозаики, в которой на каждом шаге добавляется один новый элемент, а вся картина постепенно принимает устойчивую форму.
Расчеты показали, что, меняя только отношение размера сферы к размеру самих частиц, можно управлять итоговой архитектурой оболочки. Всего ученые смоделировали 43 варианта упаковки из 12-72 частиц.
При этом многие из предсказанных моделью структур совпали с оболочками, которые уже известны в природе или были получены ранее искусственно. Это, по словам авторов, подтверждает, что модель корректно описывает реальные процессы и может использоваться для разработки новых белковых наноконтейнеров.
Исследователи приводят наглядный пример: если оболочка состоит из 32 одинаковых элементов, они образуют обычную треугольную решетку. Но если немного уменьшить размер частиц и разместить на той же сфере уже 48 элементов, структура меняется, и вместо одной только треугольной сетки возникает более сложный узор из треугольников и квадратов.
По мнению авторов, именно сферическая геометрия заставляет систему переходить от одной схемы укладки к другой. А поскольку устройство таких оболочек напрямую влияет на их свойства, возможность заранее предсказывать и проектировать их форму особенно важна.
В дальнейшем ученые планируют распространить модель на частицы с более сложным характером взаимодействий, что позволит получать еще более разнообразные белковые оболочки и расширит возможности их практического применения в медицине и материаловедении.
