Учёные Оксфордского университета впервые смогли наблюдать, как вирусоподобная частица собирается последовательно, молекула за молекулой. Исследование опубликовано в журнале Nature. Полученные данные раскрывают простые правила, благодаря которым сложные биологические структуры формируются надёжно и упорядоченно.
Исследователи изучали искусственную вирусоподобную частицу, состоящую из 60 белковых единиц. Для наблюдений они применили масс-фотометрию — разработанный в Оксфорде метод определения массы отдельных молекул по рассеянию света. Новая система удержания молекул позволила непрерывно следить за ростом частицы и фиксировать присоединение каждого следующего белкового компонента.
Вирусы хранят генетический материал внутри белковых оболочек, называемых капсидами. Такие оболочки могут включать от нескольких десятков до тысяч белковых элементов, которые во многих случаях самостоятельно находят правильное расположение без управляющего механизма. Ранее промежуточные этапы сборки было трудно увидеть: они существуют недолго и образуются в небольшом количестве, поэтому традиционные методы показывали главным образом исходные компоненты и готовые частицы.
Оказалось, что сборка напоминает прохождение сложного лабиринта. Сначала белки соединяются слабо, и неудачные комбинации легко распадаются, позволяя компонентам снова пробовать разные варианты. Переломным моментом становится соединение пяти крупных белковых элементов в замкнутое пятиугольное кольцо. Эта структура оказывается первой достаточно устойчивой стадией, после которой для каждого следующего стабильного этапа требуется меньше новых компонентов, а рост частицы ускоряется.
«Слабые взаимодействия дают системе возможность ошибаться. Большинству столкновений не обязательно завершаться успехом: компоненты могут разъединиться и попробовать снова. Но когда достаточное число элементов соединяется в правильную замкнутую структуру, она стабилизируется, и сборка продолжается. Именно сочетание проб и ошибок с закреплением удачных структур делает этот процесс таким надёжным», — пояснил один из руководителей работы доктор Рои Асор из химического факультета и Института нанонаучных открытий Кавли Оксфордского университета.
По словам соавтора исследования профессора Филиппа Кукуры, ранее механизм сборки в основном восстанавливали по отдельным снимкам или теоретическим моделям. Теперь учёные могут одновременно измерять взаимодействия между компонентами и наблюдать рост одной частицы, включая появление промежуточных структур. Как отметил соавтор, аспирант Дэн Лёвенталь, новый метод позволяет изучать процесс напрямую: «Мы просто снимаем видео!»
Работа помогает понять, почему начальная стадия сборки, называемая нуклеацией, проходит особенно трудно, а после появления первой устойчивой структуры процесс заметно ускоряется. Знание взаимодействий, управляющих формированием вирусных оболочек, может привести к созданию противовирусных препаратов, нарушающих их сборку, а также помочь в разработке вакцин и других средств на основе вирусоподобных частиц. Доктор Джек Тан из Института молекулярной медицины MRC Weatherall и Оксфордского института CAMS отметил: «Возможность понять эти процессы на молекулярном уровне может иметь важное значение для разработки вакцин и противовирусных препаратов, нарушающих сборку вирусов».