Вирусы атакуют живую клетку пиратским способом
Ученые ИФХЭ РАН, НИТУ МИСиС, МФТИ и ряда других российских научных организаций изучили и описали биофизические принципы, на которых основан механизм проникновения вирусов гриппа и иммунодефицита человека в клетки организма. Авторы создали теоретическую модель, с помощью которой удалось получить новые знания о способах защиты клеток от вирусов. Эти знания могут послужить отправной точкой к созданию нового поколения средств лечения гриппа, СПИДа и ряда других вирусных заболеваний.
Вирусы гриппа, иммунодефицита человека, герпеса, гепатита, лихорадки Эбола и многих других опасных заболеваний поражают организм, проникая внутрь его живых клеток путем слияния вирусной оболочки с мембраной клетки. Делают они это при помощи так называемых белков слияния. Вирусы забрасывают эти белки в клетку, как крюки на веревке, за которые потом подтаскивают себя к ней, подобно пиратам при абордаже.
Благодаря такому необычному механизму проникновения процесс вирусного инфицирования клетки зачастую зависит от свойств липидной мембраны клетки, в частности, от ее механической упругости. Выясняется, что чем более затруднен процесс деформации клеточной мембраны вирусными белками, тем меньше вероятность того, что клетка будет инфицирована.
Авторы проведенного цикла исследований разработали теоретическую модель, предсказывающую энергетические затраты, которые необходимо преодолеть вирусным белкам для слияния собственной мембраны с мембраной «жертвы». Кроме того, наблюдая за изменениями энергии этого процесса, физики обнаружили несколько альтернативных сценариев вирусной атаки: в каких-то случаях вирус побеждает клетку и встраивается в нее, вызывая заболевание. Но иногда возникает и особое тупиковое состояние, из которого вирус не может выйти, и тогда атака прекращается.
— Нас вдохновили эксперименты по исследованию вирусного слияния методами криоэлектронной микроскопии (изучение образца под микроскопом в условиях низкой температуры, обычно в жидком азоте), — рассказал «Известиям» один из авторов работ, старший научный сотрудник кафедры теоретической физики и квантовых технологий НИТУ МИСиС Тимур Галимзянов. — Нам удалось обнаружить внутри клеток необычные структуры, не предсказанные ни одной из существующих теоретических моделей слияния мембран. На основании этих результатов мы предложили свою модифицированную модель слияния и показали, что обнаруженные нами структуры являются тупиковыми, то есть противодействуют слиянию вируса с клеткой. В конечном счете мы рассчитали, как структура вирусных белков слияния влияет на выбор пути этого процесса: успешным он окажется или тупиковым.
В работе показано, что если удастся каким-либо биохимическим способом повысить упругость клеточной мембраны (на ее механические свойства влияет, например, количество холестерина в организме), то это затруднит проникновение вируса в клетку и, следовательно, предотвратит болезнь или затормозит ее развитие.
Другое обнаруженное физиками и химиками направление фармакологического поиска — мелкие уплотнения внутри клеточной мембраны, так называемые рафты («плоты»). Ученые показали, что рафты способствуют проникновению вируса в клетку, и, следовательно, их количество влияет на риск возникновения и развития заболевания. Таким образом, препарат, с помощью которого можно снизить плотность рафтов, станет новым лекарством от гриппа или ВИЧ.
— Мы нашли новые мишени для будущих фармпрепаратов, — рассказал «Известиям» заместитель директора Института физической химии и электрохимии (ИФХЭ РАН) Олег Батищев, руководитель научной группы, проводившей исследование. — Если раньше медицинская наука, например, в том, что касается ВИЧ, концентрировалась на стадии репликации генетического материала, то есть боролась с размножением вируса внутри клетки, то теперь можно начинать искать, чем остановить вирус до того, как он проник в клетку. По крайней мере мы показали, где искать.
Цикл из трех статей с результатами новых исследований российских ученых опубликован в специальном выпуске научного журнала International Journal of Molecular Sciences.
