Ученые создали математическую модель, описывающую, как белки самоорганизуются в небольшие сферические оболочки, которые можно использовать для доставки лекарств. Эта модель позволяет определить условия, при которых формируются наиболее устойчивые структуры из разного количества белковых элементов. Предсказанные моделью упаковки могут использоваться для создания синтетических наноконтейнеров, нанореакторов и разработки наноматериалов с заданными свойствами. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в The Journal of Physical Chemistry B.
Вирусы «хранят» свой генетический материал — ДНК или РНК — в защитной оболочке, которая называется капсидом. Чаще всего она имеет форму сферы и состоит из множества одинаковых белковых элементов, уложенных максимально плотно и симметрично. Однако процесс сборки таких оболочек чрезвычайно сложен из-за того, что элементы нужно располагать не на плоскости, а в виде объемной сферы. Ученые стремятся понять, как именно белки «находят» свои места, чтобы использовать эту уникальную способность белковых оболочек к самосборке для проектирования стабильных наноконтейнеров для доставки лекарств.
Ученые из Южного федерального университета (Ростов-на-Дону) математически описали процесс формирования небольших белковых оболочек — состоящих всего из 72 элементов или меньше. Такие миниатюрные белковые структуры могут быть вирусными оболочками, разнообразными ферментами или служить в качестве транспортных систем.
Авторы разработали модель, которая рассматривает оболочки как упаковки одинаковых, притягивающихся друг к другу белковых частиц на поверхности сферы. Согласно этой модели на каждом этапе сборки новая частица прикрепляется в максимально энергетически выгодной позиции — в месте, где она «садится» наиболее плотно и устойчиво, после чего система релаксирует, иначе говоря, избавляется от избыточных напряжений. Процесс продолжается до того момента, пока на поверхности сферы не остается позиций для размещения новых частиц. Такой рост оболочки можно сравнить с процессом сборки мозаики, где на каждом шаге добавляется одна плитка.
Оказалось, что, контролируя лишь отношение размера сферы к размеру частиц, из которых она состоит, можно управлять процессом сборки и получать сферические оболочки с принципиально отличающимся устройством. Всего авторам удалось смоделировать 43 упаковки из 12–72 частиц, при этом многие из них повторили структуру природных или искусственно синтезированных ранее белковых оболочек. Это подтверждает корректность модели и ее пригодность для разработки новых стабильных белковых наноконтейнеров.
«Наша модель показывает, что, контролируя всего два параметра — размер структурных единиц и размер сферической подложки, на которой они собираются, — можно получать высокосимметричные оболочки с принципиально различным устройством. Например, в оболочке из 32 идентичных структурных единиц частицы образуют обычную треугольную решетку. Простое уменьшение размера частиц, позволяющее разместить 48 структурные единицы на поверхности сферы, приводит к тому, что они уже образуют "узор" из треугольников и квадратов. Причина такого удивительного поведения кроется в сферической геометрии системы, автоматически изменяющей результат "укладки мозаик". Архитектура таких объектов как коллоидосомы, мицеллы и белковые наноконтейнеры имеет решающее значение для выполняемых ими функций, и наша модель дополняет теоретический базис для их эффективного синтеза. В дальнейшем мы планируем исследовать сборку частиц с более сложными взаимодействиями, что должно существенно расширить спектр получаемых оболочек», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Сергей Рошаль, доктор физико-математических наук, профессор кафедры нанотехнологии физического факультета Южного федерального университета.
Ранее ученые разработали математическую модель, которая описывает взаимное расположение клеток в коже и коралловых полипов к колониях. Оказалось, что колонии кораллов и покровные ткани построены по единым физическим законам.