Ученые из НИТУ “МИСиС”, ИФХЭ РАН им. А.Н. Фрумкина и ряда других научно-исследовательских центров описали биофизические принципы проникновения вирусов. таких, как грипп и ВИЧ, в клетки организма. Коллектив вывел теоретическую модель, которая описывает механические свойства липидных мембран вирусов и атакуемых клеток. На основе этой модели была выявлена связь между механикой мембран и устойчивостью клеток.
На основе новых исследований были написаны три статьи. Все они опубликованы в специальном выпуске научного журнала International Journal of Molecular Sciences.
Оказалось, что самые опасные и распространенные вирусы - грипп, герпес, ВИЧ, лихорадка Эбола и другие - проникают в клетки организма при слиянии собственной оболочки с клеточной мембраной или органеллами клетки. “Помогают” процессу т.н. белки слияния - они обеспечивают контакт оболочки вируса и мембраны клетки. Эти белки “цепляются” за клетку и подтягивают ее мембрану к вирусу, запуская слияние.
Таким образом, вирусное инфицирование зависит от свойств липидной мембраны клетки, а, точнее. от ее упругости. И вероятность инфицировать клетку меньше, если ее мембрану сложнее деформировать.
Авторы исследования подсчитали энергетические затраты, которые необходимы белкам слияния, чтобы “влиться” в мембрану. При этом ученые обнаружили несколько сценариев атаки: в некоторых из них вирусы одерживали победу, в других - нет.
«Нас вдохновили эксперименты по исследованию вирусного слияния методами криоэлектронной микроскопии, — рассказывает один из соавторов исследования старший научный сотрудник кафедры теоретической физики и квантовых технологий НИТУ „МИСиС“ Тимур Галимзянов, — В них были обнаружены необычные структуры, не предсказанные ни одной из существующих теоретических моделей слияния мембран. Поэтому мы предложили свою модифицированную модель слияния, и показали, что обнаруженные структуры являются тупиковыми, не приводя к слиянию вируса с клеткой, и рассчитали, как структура вирусных белков слияния влияет на выбор пути этого процесса — успешного или тупикового».
Особенно интересно, что в исследовании применялись исключительно общефизические подходы, не химические взаимодействия. Было выявлено несколько факторов, влияющих на процесс слияния мембран - по каждому из них было проведено отдельное исследование.
Основными факторами оказались:
- геометрические параметры белков слияния
- водородный показатель окружающей среды
- наличие “рафтов” - островков жестких молекул, перемещающихся по полужидкой клеточной мембране (об этом можно почитать тут).
Итог исследований таков: присутствие “рафтов” в области атаки способствует успешному проникновению вируса в клетку (в случае с ВИЧ). Ученые планируют распространить полученные результаты на более широкий класс объектов, однако уже сейчас разработанная теоретическая модель требует проверки. Полученные выводы могут стать важным открытием в исследованиях вирусов и механизмов клеточных процессов.