Наблюдение одиночных молекул раскрыло механизм зарождения и роста вирусных капсидов

Исследователи Оксфордского университета зафиксировали поэтапную сборку отдельных вирусоподобных частиц, показав, как простые молекулярные взаимодействия могут надёжно создавать сложные биологические структуры. Результаты были опубликованы сегодня (16 сентября) в Nature.

Понимание того, как собираются вирусы — и что может нарушить этот процесс — может в конечном счёте помочь в разработке новых противовирусных средств, вакцин и лечебных подходов. Новое исследование даёт молекулярное представление о том, как белковые оболочки вирусов спонтанно и корректно собираются из отдельных компонентов, несмотря на тысячи теоретически возможных путей их соединения.

Авторы описывают сборку как поиск маршрута в лабиринте: белковые строительные блоки сначала образуют слабые и обратимые связи, что позволяет неудачным вариантам распадаться и пробовать снова. Когда же белки формируют особые замкнутые структуры, множественные связи делают их значительно более стабильными. Такие стабильные узлы действуют как молекулярные ориентиры, постепенно направляя сложный процесс к готовой частице.

Критический момент наступает, когда пять более крупных белковых единиц собираются в замкнутое пятиугольное кольцо — первую особенно устойчивую структуру на пути. После образования этого «ядра» для перехода к каждой следующей стабильной стадии требуется всё меньше белковых единиц, что ускоряет рост капсида.

Соавтор и руководитель исследования доктор Рой Асор (факультет химии и Институт нанонаучных открытий Кавли, Оксфордский университет) сказал: «Вирус должен решить необычную строительную задачу. Его компоненты каким-то образом должны найти правильное расположение среди огромного количества возможностей, без какого‑либо плана или управляющего механизма. Теперь мы можем наблюдать за тем, что происходит молекула за молекулой, и видеть физические правила, которые делают это возможным.»

Зафиксировать процесс молекулярного строительства оказалось непросто.

Вирусы защищают свой генетический материал внутри точно организованных белковых оболочек — капсидов. Эти структуры могут содержать десятки или даже тысячи белковых компонентов, однако у многих вирусов их строительные блоки способны спонтанно собираться в правильную форму.

Ключевые промежуточные структуры встречаются редко и нередко недолговечны, поэтому традиционные эксперименты часто фиксируют только состояние до и после сборки, не раскрывая самих молекулярных этапов между ними.

Команда Оксфорда преодолела эту проблему, использовав сконструированную вирусоподобную частицу из 60 белковых единиц. Исследователи объединили массофотометрию — технологию, разработанную в Оксфорде для измерения массы отдельных молекул по рассеиваемому ими свету — с новым методом удержания отдельных частиц, чтобы непрерывно наблюдать одну и ту же частицу по мере её роста.

Соавтор, аспирант Дэн Левенталь (факультет химии и Институт нанонаучных открытий Кавли, Оксфордский университет), отметил: «Этот метод позволяет нам изучать процесс сборки напрямую — мы просто снимаем видео!»

Ранее многое приходилось реконструировать по отдельным снимкам или теоретическим моделям. Возможность количественно оценить основные взаимодействия и проследить рост одной частицы меняет ситуацию: учёные могут видеть появление ключевых промежуточных структур и строить подробную модель процесса сборки.

Филипп Кукура, соавтор исследования и профессор кафедры химии и Института Кавли, добавил, что полученные данные объясняют, как процесс с огромным числом теоретически возможных маршрутов проходит через относительно небольшое количество продуктивных стадий.

Исследование также показывает, почему за трудным начальным шагом — зарождением — следует более быстрый рост частицы: появление устойчивого ядра снижает барьер для дальнейшей сборки.

Доктор Асор подчеркнул: «Слабые взаимодействия дают системе возможность совершать ошибки. Большинство встреч не обязательно должны быть успешными: компоненты могут разделиться и повторить попытку. Это делает процесс настолько надёжным.»

Соавтор доктор Джек Тан (MRC Weatherall Institute of Molecular Medicine и CAMS‑Oxford Institute) отметил: «Понимание этих процессов на молекулярном уровне может иметь важное значение для разработки вакцин и противовирусных препаратов, которые нарушают сборку вируса.»

В более широком смысле принцип самосборки выходит за рамки вирусов: он лежит в основе организации клеточного скелета, молекулярных компартментов и белковых комплексов. Учёные считают, что описанный подход даёт возможность исследовать такие процессы «по одной молекуле за раз», что открывает новые пути для фундаментальной биологии и прикладных исследований