Почему вирусы вроде герпеса и Зика нужно переклассифицировать и как это повлияет на биотехнологии
Новое исследование показывает, что представления об архитектуре вирусов нуждаются в пересмотре, поскольку они на самом деле структурированы гораздо более разнообразно, чем считалось ранее. Эти открытия могут существенно повлиять на их классификацию, наше понимание того, как они формируются, эволюционируют и заражают хозяев, а также на стратегии разработки вакцин.
В 1950–60-х годах, когда учёные начали получать изображения вирусов высокого разрешения, они обнаружили детальную структуру капсида — внешнего защитного слоя, состоящего из множества копий одного и того же белка, который защищает генетический материал вируса. У большинства вирусов капсиды имеют квазисферическую форму и обладают икосаэдрической симметрией (как 20-гранный кубик).
Почему это важно
При разработке лекарств, нацеленных на вирусы, учёные теперь могут учитывать их различные структурные формы для повышения эффективности.
Два исследователя, изучающих структуры вирусов — Антони Луке, теоретический биофизик из Университета Сан-Диего, и Рейдун Тварок, математический биолог из Йоркского университета (Великобритания), — показали, что многие вирусы, включая распространённые, такие как вирус простого герпеса (Herpes simplex) и вирус Зика, по сути, были неправильно классифицированы на протяжении 60 лет.
Причина в том, что, несмотря на наличие структурных изображений, полученных методом криоэлектронной микроскопии, у нас не было математического описания архитектуры многих вирусов.
«Мы обнаружили шесть новых способов, которыми белки могут организовываться, образуя икосаэдрические капсидные оболочки, — сказал Луке. — Таким образом, многие вирусы не следуют лишь двум широко известным архитектурам капсидов. Теперь известно как минимум восемь способов, которыми могут быть устроены их икосаэдрические капсиды».
Учёные использовали обобщение принципа квазиэквивалентности, чтобы увидеть, как белки могут упаковываться вокруг икосаэдрического капсида.
Их исследование, которое будет опубликовано в журнале Nature Communications в пятницу, 27 сентября, также показывает, что вирусы, принадлежащие к одной структурной линии (на основе белка, из которого они состоят), имеют сходные икосаэдрические схемы капсидов. Это открывает новый подход к изучению эволюции вирусов.
Применение в биотехнологиях
Структурные биологи теперь могут использовать эту информацию для переклассификации вирусов, что поможет выявить молекулярные и эволюционные связи между разными вирусами.
Это также послужит руководством для создания новых молекулярных контейнеров для нанотехнологий и биотехнологий и поможет учёным определить конкретные стратегии воздействия на сборку белков в капсиде. В конечном итоге это может привести к более систематическому подходу к разработке противовирусных вакцин.
«Мы можем использовать это открытие, чтобы воздействовать как на сборку, так и на стабильность капсида: либо предотвращать формирование вируса при заражении клетки-хозяина, либо разрушать его после образования, — пояснил Луке. — Это может облегчить характеристику и идентификацию противовирусных мишеней для вирусов, имеющих одинаковую икосаэдрическую структуру».
Новая концепция охватывает вирусы, которые ранее считались исключениями, предсказывает новые архитектуры вирусных капсидов и выявила общие геометрические паттерны у эволюционно далёких вирусов, заражающих всех — от людей до бактерий.
Тварок отметила, что новые «чертежи» также дают «новую перспективу на эволюцию вирусов, предполагая новые пути, по которым более крупные и сложные вирусы могли эволюционировать из простых на эволюционных временных масштабах».
Архитектурные приложения
Эти геометрические принципы также могут быть использованы в новых архитектурных решениях в строительстве.
С 1960-х годов эти вирусные капсиды классифицировались с использованием геометрической концепции, введённой структурным биологом Дональдом Каспаром и биофизиком Аароном Клугом, которая была вдохновлена геодезическими куполами архитектора Р. Бакминстера Фуллера. Однако с развитием методов молекулярной визуализации всё больше 3D-реконструкций вирусных капсидов, включая вирусы герпеса и Зика, не укладывались в эту классическую геометрическую концепцию.
«Это исследование представляет более общую концепцию, чем классическая конструкция Каспара–Клуга. Она основана на сохранении локальных вершин, образованных взаимодействующими в капсиде белками, — объяснил Луке. — Этот подход привёл к открытию шести новых типов икосаэдрических структур капсида, одновременно воспроизводя две классические схемы Каспара–Клуга, основанные на полиэдрах Голдберга и геодезических полиэдрах».
Исследование «Structural puzzles in virology solved with an overarching icosahedral design principle» опубликовано в журнале Nature Communications.