Исследователи из Оксфордского университета смогли наблюдать процесс сборки вирусоподобной частицы поэтапно и выяснили, как белковые компоненты находят нужное расположение для формирования устойчивой оболочки. Работа опубликована в журнале Nature. Учёные показали, что сборка опирается на слабые обратимые взаимодействия, за которыми следует небольшое число стабильных структур, направляющих дальнейший рост.
Вирусы хранят свой генетический материал внутри белковых оболочек, называемых капсидами. Такие структуры могут включать сотни или тысячи компонентов, однако многие из них собираются самопроизвольно, без участия молекулярной машины. Оксфордская команда установила, что белковые строительные блоки сначала образуют слабые связи: неправильные конфигурации могут распадаться и пробовать снова, тогда как некоторые замкнутые структуры становятся значительно устойчивее и играют роль молекулярных контрольных точек.
Ключевой этап наступает, когда пять крупных белковых блоков формируют замкнутое пятиугольное кольцо. После появления этой структуры для достижения каждой новой стабильной стадии требуется меньше дополнительных компонентов, что ускоряет сборку. Соавтор работы доктор Рой Асор из химического факультета и Института нанонауки имени Кавли Оксфордского университета отметил: «Вирусу приходится решать необычайную строительную задачу. Его компоненты должны каким-то образом найти правильное расположение среди огромного числа возможностей, без чертежа или механизма, направляющего процесс. Теперь мы можем наблюдать происходящее молекула за молекулой и видеть физические правила, которые делают это возможным».
Чтобы напрямую изучить процесс, исследователи использовали искусственную вирусоподобную частицу из 60 белковых единиц. Они объединили масс-фотометрию, измеряющую массу отдельных молекул по рассеиваемому ими свету, с методом удержания молекул, позволяющим вести непрерывное наблюдение. Это дало возможность многократно измерять одну и ту же частицу по мере присоединения или отделения белков. Соавтор работы, аспирант Дэн Левенталь, сказал: «Этот метод позволяет изучать процесс сборки напрямую, мы просто снимаем видео!» Соавтор профессор Филипп Кукура добавил: «До сих пор многое в нашем понимании того, как собираются эти структуры, приходилось восстанавливать по снимкам или теоретическим моделям. Возможность одновременно количественно оценивать лежащие в основе взаимодействия и следить за ростом одной частицы меняет ситуацию. Мы видим, как появляются важные промежуточные структуры, и можем вывести детальную модель процесса сборки».
Полученные результаты помогают объяснить, почему вирусная сборка остаётся надёжной, несмотря на огромное число возможных молекулярных конфигураций. Доктор Асор пояснил: «Слабые взаимодействия дают системе пространство для ошибок. Большинство контактов не обязаны быть успешными: компоненты могут разойтись и попробовать снова. Но как только достаточное их число соединяется в правильной замкнутой конфигурации, структура становится устойчивой, и сборка может продолжаться. Именно сочетание проб и ошибок с закреплением удачных структур делает процесс таким надёжным». Понимание этих этапов в перспективе может помочь учёным создавать противовирусные препараты, нарушающие сборку вирусов, или улучшать дизайн вакцин. Соавтор работы доктор Джек Тан из Института молекулярной медицины MRC Weatherall и Института CAMS-Oxford отметил: «Способность понимать эти процессы на молекулярном уровне может иметь важное применение в разработке вакцин и противовирусных средств, нарушающих сборку вирусов». Тот же метод можно использовать и для изучения других форм биологической самосборки, включая белковые комплексы и клеточные структуры.