Новое оружие в борьбе с вирусами

Ученые ИФХЭ РАН впервые изучили поведение в растворе белка Gag — одного из ключевых компонентов вируса иммунодефицита человека, который отвечает за сборку новых копий вируса и их выход из зараженной клетки. Результаты опубликованы в Journal of Structural Biology.

Как проводилось это исследование, потребовавшее пять лет труда, о построенной модели, которая позволяет создавать противовирусные препараты с помощью новейших физико-химических методов, «Ъ-Науке» рассказал руководитель проекта, заместитель директора ИФХЭ РАН по научной работе, заведующий лабораторией биоэлектрохимии ИФХЭ РАН, доктор физико-математических наук Олег Батищев.

— Белок Gag отвечает за сборку вирусной частицы внутри инфицированной клетки. Когда клетка заражена вирусом, она начинает внутри себя производить новые вирусные РНК и новые вирусные белки. Дальше молекулы белка должны собраться вокруг РНК, добраться до клеточной мембраны, изогнуть ее, чтобы получилась дочерняя вирусная частица, и, наконец, выйти наружу. Белок Gag регулирует весь этот процесс. Он состоит из четырех компактных доменов, соединенных гибкими перемычками. Именно из-за этих гибких перемычек его сложно изучать целиком.

— Структуру белков часто изучают методом рентгеновской дифракции. Предварительно белки кристаллизуют, то есть выращивают из них монокристалл. Это сложная задача, но она является необходимым подготовительным этапом. Кристаллическая решетка работает как дифракционная решетка для рентгеновских лучей. Кристалл облучают с разных сторон и по темным пятнам — дифракционной картине — рассчитывают электронную плотность и координаты атомов.

Методом рентгеновской дифракции удалось построить структуры отдельных доменов белка Gag. Но как выглядит полноразмерный белок и, еще важнее, как молекулы белка собираются вместе, как они захватывают нуклеиновую кислоту, чтобы получился новый вирион — полностью сформированная вирусная частица,— неизвестно. Потому что белок Gag целиком не кристаллизуется.

Чтобы изучать такие некристаллизуемые белки, используется рассеяние от раствора — малоугловое рентгеновское рассеяние. С одной стороны, хорошо, что мы работаем не с искусственно выращенным кристаллом, а с белком, находящимся в растворе — в его естественных условиях, как если бы он находился в цитоплазме клетки. С другой стороны, математически решить обратную задачу рассеяния — по кривой рассеяния восстановить объект, на котором это рассеяние произошло,— однозначно невозможно. Потому что при рассеянии часть информации об объекте теряется, и то, что рассчитанный объект единственно возможный, недоказуемо. Поэтому приходится делать большую вычислительную работу: строить разные модели, рассчитывать кривую малоуглового рентгеновского рассеяния для каждой, выбирать те модели, кривая рассеяния для которых лучше всего совпадает с экспериментальными. Затем надо проверить, как модель согласуется с другими экспериментальными данными, полученными независимыми методами. Это сложные и длительные расчеты, для которых есть много разных программ, в том числе с привлечением искусственного интеллекта.

Вся работа от эксперимента на синхротроне до получения обоснованной структуры белка Gag заняла у нашей группы пять лет.

— Это разумный срок для работы с большими данными. В 2019 году был проведен эксперимент: синхротронным излучением облучили образцы белков в растворе. Датчики записали тысячи кривых рассеяния. Потом мы обрабатывали результаты. Синхротрон нужен был потому, что он дает очень большую мощность излучения, а чем больше мощность, тем меньше шум и тем выше разрешающая способность метода.

— Мы провели эксперименты при различных концентрациях белка в растворе. В низкой концентрации мы наблюдали только одиночные молекулы — мономеры белка. При высокой концентрации были обнаружены тримеры, то есть объекты, состоящие из трех молекул Gag. Важно отметить, что более крупные олигомеры или вирусоподобные частицы, в которых должно быть много сотен белковых цепей, в растворе не образовывались, хотя мы брали концентрации на порядок выше тех, которые имеются в цитоплазме зараженной клетки. Можно сказать, что молекулы Gag больше трех не собираются. Следовательно, для сборки вирусного каркаса одного только раствора с белками Gag недостаточно. Белкам нужна какая-то опора, какая-то направляющая: или белки вокруг себя будет собирать молекула РНК, или клеточная мембрана сконденсирует на плоскости эти мономеры, после чего они начнут правильно выстраиваться.

Мы также определили форму тримеров: две цепи были собраны в плотное ядро, а одна оставалась вытянутой и гибкой. Возможно, именно она «оборачивается» вокруг РНК, чем инициирует дальнейшую сборку вирусной оболочки.

— В ИФХЭ РАН нельзя работать с вирусами: это объекты первого класса опасности. Даже не каждый вирусологический институт решится работать с вирусом иммунодефицита человека. Но белки Gag без генетического материала, без РНК, опасности не представляют. Поэтому в лаборатории биоэлектрохимии мы можем работать с этими белками и искать такие средства воздействия на белки Gag, которые останавливали бы сборку вируса на самой ранней стадии. Не подвергаясь биологической опасности, мы можем проводить исследования физико-химическими методами, которых в ИФХЭ РАН значительно больше, чем в биологических или медицинских институтах. Потом к нашим исследованиям подключатся вирусологи, и совместными усилиями можно рассчитывать на создание эффективного противовирусного средства.