Белки знают свое место: ученые ЮФУ нашли способ сборки нанокапсул для химии и медицины

Фото: пресс-служба ЮФУ

Чтобы получить сложную структуру, не всегда нужен «сборщик». Некоторые молекулы, например белковые, способны самостоятельно выстраиваться в устойчивые нанокапсулы. Учёные Южного федерального университета разработали математическую модель, которая объясняет эту самоорганизацию и позволяет предсказывать, как именно белки соберутся в оболочку. В перспективе это поможет проектировать системы адресной доставки лекарств, нанореакторы для медицины и химии.

Некоторые белки могут объединяться в сложные замкнутые структуры. Отдельные молекулы соединяются между собой и формируют оболочку, внутри которой остаётся свободное пространство. Такие белковые нанокапсулы состоят из нескольких десятков молекул и выполняют в клетках важные функции: хранят витамины и соединения железа, работают как ферменты, участвуют в утилизации неправильно свёрнутых белков.

В отличие от вирусных капсидов, невирусные белковые контейнеры не связаны с хранением и передачей генетического материала. У них другая геометрия. Если большинство вирусных оболочек обладают икосаэдрической симметрией (20 граней), то невирусные чаще имеют тетраэдрическую (4 грани) или октаэдрическую (8 граней) симметрию. В них встречаются необычные четырёх- и даже восьмикратные капсомеры — плотные группы из нескольких белковых молекул, которые ведут себя как единый структурный блок. Именно из-за этих различий прежние теории, разработанные для вирусов, не подходили для описания невирусных контейнеров.

Размер природных наноконтейнеров невелик: обычно они состоят всего из 12–72 белковых молекул. При этом до конца не было понятно, почему белки соединяются именно определённым образом и как из отдельных элементов формируется устойчивая сферическая оболочка.

Исследователи кафедры нанотехнологии физического факультета ЮФУ предложили математическую модель, которая описывает этот процесс. Основой стала теория Ландау — физический метод, применяемый для описания процессов упорядочения вещества, например при росте кристаллов. Учёные предположили, что сборку белковой оболочки можно рассматривать похожим образом, только вместо плоской поверхности кристалла необходимо учитывать сферическую форму наноконтейнера.

Для этого исследователи использовали сферические гармоники — математический инструмент, позволяющий описывать волны на поверхности сферы. В модели такие «волны» задают расположение белковых молекул или их групп. Волны плотности можно представить как рябь на поверхности воды: гребни этой ряби показывают, где именно в кристалле расположится очередная структурная единица. Только в данном случае эта рябь «натянута» на сферу, что определяет симметрию всей оболочки — тетраэдрическую, октаэдрическую или другую.

Чтобы лучше понять принцип укладки белков, учёные с помощью компьютерного моделирования «развернули» сферические оболочки в плоские сетки — подобно тому, как глобус превращают в плоскую карту. Оказалось, что расположение белков в таких оболочках имеет необычный порядок. Рисунок напоминает квазикристаллическую мозаику. Квазикристаллы — это структуры, в которых элементы расположены упорядоченно, но при этом не образуют простого повторяющегося рисунка, как в обычных кристаллах. Именно этот принцип организации учёные обнаружили в исследуемых белковых оболочках.

Отдельно важный результат касается самих химических связей между белками. Теория предсказывает, какие контакты будут ключевыми для устойчивости оболочки, а какие — второстепенными. Авторы проверили модель на 22 существующих белковых структурах из базы данных Protein Data Bank. В 18 случаях контакты между белками соответствовали связям, которые предсказывает теория. Почти все межбелковые связи в изученных оболочках оказались топологически эквивалентны рёбрам сферических квазирешёток. Только в четырёх структурах обнаружились дополнительные связи, которые не укладывались в идеальную картину. Такое почти полное совпадение — сильный аргумент в пользу того, что модель отражает реальный физический механизм сборки.

Предложенная модель применима не к нескольким частным случаям, а к широкому классу структур. Ей соответствует почти половина всех известных симметричных ферментативных комплексов — свыше тысячи структур, — а также ряд шаперонов, транспортных белков и вирусоподобных наноклеток.

«Разработанная теория позволяет не только описать уже известные структуры, но и предсказывать новые. Поэтому она упростит проектирование наноконтейнеров и нанореакторов для медицины и химии на базе реально существующих и еще не описанных, но теоретически возможных белковых оболочек. В дальнейшем мы планируем распространить разработанный подход на белковые оболочки с глобальной икосаэдрической симметрией — часть из них также обладает локальным квазикристаллическим порядком, и предварительные результаты показывают, что сферические волны плотности с одним или двумя параметрами хорошо описывают и такие структуры», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Сергей Рошаль, доктор физико-математических наук, профессор кафедры нанотехнологии ЮФУ.

Понимание правил самоорганизации белков важно не только для фундаментальной науки — оно открывает путь к проектированию наноконтейнеров с заданными свойствами. Теория позволяет заранее определить, какие межбелковые контакты необходимы для устойчивости оболочки, а какие могут выполнять дополнительную функцию. Это даёт возможность искать нужную конфигурацию не методом проб и ошибок, а на основе расчётов. В перспективе искусственные белковые наноконтейнеры могут использоваться для адресной доставки лекарств, создания диагностических платформ и нанореакторов, в которых химические реакции будут проходить в строго определённом месте.

Исследование выполнено доктором физико-математических наук, профессором кафедры нанотехнологии ЮФУ Сергеем Рошалем, кандидатом физико-математических наук, доцентом кафедры нанотехнологии Ольгой Коневцовой, и кандидатом физико-математических наук, старшим преподавателем кафедры общей физики Дмитрием Чалиным при поддержке гранта Российского научного фонда (№22-12-00105-П). Результаты исследования опубликованы в Journal of the Royal Society Interface (Q1).