Наука и технологии 30 августа 2023

Наноконтейнеры для доставки лекарств

Ученые из Южного федерального университета с коллегами из Китая выяснили причины, по которым внешний белковый нанокристалл, самособирающийся вокруг паразитов насекомых, разбирается в подходящий для заражения момент. Предложенная модель устройства нанокристалла полезна для создания белковых наноконтейнеров для адресной доставки лекарств в пораженные органы и ткани
Наноконтейнеры для доставки лекарств
Капсид циповируса (белый и фиолетовый цвета), встроенный в оболочку из белка полиэдрина (зеленый цвет). Белки, играющие ключевую роль при встраивании, показаны красным и желтым цветами
Konevtsova et al. / Nanoscale Advances, 2023

Оказалось, что, когда вирус попадает в щелочную среду желудка насекомого, внешняя «броня» распадается, так как составляющие ее белки приобретают отрицательный заряд и начинают отталкиваться друг от друга.

Большинство вирусов покрыты белковой оболочкой — капсидом, который защищает вирусный геном от пагубного воздействия окружающей среды и транспортирует его в заражаемую клетку. Вирусные и другие подобные белковые оболочки можно модифицировать и использовать для адресной доставки лекарств в поврежденные ткани и органы. Однако для этого необходимо хорошо понимать законы и механизмы, определяющие их структуру и свойства, включая механизм саморазборки вирусных оболочек при инфицировании.

Что происходит в желудке насекомого

Ученые из Южного федерального университета (Ростов-на-Дону) с коллегами из Китая исследовали сложные белковые оболочки циповирусов, вызывающих кишечные инфекции у насекомых, включая знаменитого тутового шелкопряда. Эти вирусы уникальны тем, что их геном помимо капсида защищен еще и внешней оболочкой из белка полиэдрина, которую также называют вирусным полиэдром. Полиэдрин в больших количествах вырабатывается зараженными клетками и образует кристаллы в форме куба, напоминающие по форме кристаллы обычной поваренной соли. При сборке вирусных частиц капсиды циповирусов встраиваются внутрь этих белковых кристаллов, тем самым обретая дополнительную защиту от неблагоприятных факторов внешней среды, например от экстремальных температур и моющих средств, уничтожающих большинство других вирусов. При этом, когда циповирус попадает в желудок насекомого, он сбрасывает полиэдриновую «броню» и получает возможность инфицировать клетки насекомого.

magnifier.png Авторы новой работы с помощью математических расчетов и 3D-моделирования белковых молекул смогли впервые определить детальное устройство вирусных полиэдров со встроенными в них капсидами циповирусов, что не удавалось другим исследовательским группам

Предыдущие исследования показали, что полиэдриновые кристаллы растворяются в щелочной среде желудка насекомых, однако почему это происходит и как именно капсиды встраиваются в полиэдры, оставалось неясным.

Авторы новой работы с помощью математических расчетов и 3D-моделирования белковых молекул смогли впервые определить детальное устройство вирусных полиэдров со встроенными в них капсидами циповирусов, что не удавалось другим исследовательским группам, полагающимся лишь на современную микроскопию. Несмотря на то что капсиды циповирусов имеют форму двадцатигранников, а вирусные полиэдры — кубическую форму, оболочка из полиэдрина, как установили исследователи, плотно прилегает к капсиду вируса. Такой плотный контакт — одна из причин невероятной стабильности образующейся структуры. Разработанная учеными модель показала, что внутри полиэдров могут образовываться полости или «гнезда», форма которых как раз подходит для размещения капсидов.

Ученые также определили причины разборки вирусного полиэдра в щелочной среде желудка насекомых. Расчеты показали, что в таких условиях белки этой оболочки приобретают отрицательный заряд и начинают отталкиваться друг от друга и от белков капсида, что приводит к разрушению полиэдра и высвобождению капсида.

Лучше углеродных нанотрубок

Результаты работы могут быть использованы при проектировании наноконтейнеров для адресной доставки лекарств. Модифицируя белковые молекулы, можно влиять на то, какой заряд они будут иметь в тех или иных условиях и, соответственно, при какой кислотности будет происходить разборка контейнера и высвобождение его содержимого.

magnifier.png «Разборкой белковых полиэдриновых капсул можно легко управлять, что делает их удобнее нанотрубок. Белки присутствуют во всех клетках и тканях нашего организма, они абсолютно безопасны и нетоксичны»

«На сегодняшний день наноконтейнеры для доставки лекарств часто пытаются делать на основе углеродных нанотрубок. Однако у них есть недостатки: не совсем понятно, при каких условиях и как полезные молекулы, присоединенные к нанотрубкам, будут отсоединяться, достигая нужных тканей. Кроме того, нанотрубки могут быть токсичны для организма. Наше исследование показало, что разборкой белковых полиэдриновых капсул можно легко управлять, что делает их удобнее нанотрубок. Белки присутствуют во всех клетках и тканях нашего организма, они абсолютно безопасны и нетоксичны», — рассказывает руководитель проекта Сергей Рошаль, доктор физико-математических наук, профессор кафедры «Нанотехнология» Южного федерального университета.

В дальнейшем авторы планируют разобраться, как на сборку и разборку капсидов влияет хиральность составляющих их белков, то есть отличия, подобные тем, что наблюдаются между правой и левой руками.

Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Nanoscale Advances.

По материалам пресс-службы РНФ

Еще по теме:
22.09.2023
22 сентября 1791 года родился Майкл Фарадей — ученый, который создал предпосылки для третьей технологической революции и...
21.09.2023
Российский научный фонд сообщил, что наши ученые впервые описали состав и структуру трех минералов группы людвигита, кот...
18.09.2023
Ученые факультета вычислительной математики и кибернетики МГУ имени М. В. Ломоносова представили результаты исследования...
08.09.2023
Ученые Московского государственного университета им. М. В. Ломоносова предложили новую концепцию эколого-геохимического ...
Наверх