Бионанотехнология – значимые свершения

Самоорганизация вирусов – спонтанная сборка вирусных капсидов на матрицах. Это хорошо изученный процесс самосборки биологических структур, которые рассматриваются как перспективы в нанотехнологии.

Вирусы и бактериофаги распространены в природе. Это простейшие автономные биосистемы. Напомним, что вирусы лишены возможности размножаться вне клетки хозяина. В то же время они являются независимыми системами. Причиной этому служит их собственный генетический материал, заключенный в оболочку.

Более изучен вирус мозаики табака. Именно ему была отведена роль первой молекулярной структуры, самосборка которой успешна продемонстрирована in vitro в 1957 году.

В свое время Френкель-Конрат и Вильямс продемонстрировали спонтанное образование вирусных частиц при инкубации очищенных белков оболочки и РНК вируса. В этом случае, как и при самосборке рибосом, благодаря специфическому взаимодействию РНК и белков, происходит образование высокоупорядоченных трехмерных структур.

Из этого наблюдения следует, что вся информация о молекулах, необходимая для сборки вируса, содержится в его строительных блоках.

Далее эта структура образуется спонтанно, без подвода энергии извне. Например, в виде богатых энергией нуклеотидов (АТФ). Это свидетельствует о том, что образующаяся в результате самосборки структура является надмолекулярной структурой с минимальной свободной энергией.

Первые исследования структуры ВТМ были выполнены в середине прошлого столетия. В процессе опытов применялась электронная микроскопия, нашедшая широкое практическое применение в биологии. Было установлено, что вирусные частицы похожи на ровные полые стержни длиной около 300 нм, с внутренним диаметром – 4, а внешним – 18 нм. Каждая вирусная частица состоит не менее чем из 2 тыс. белковых субъединиц, расположенных по правозакрученной спирали, внутри которой находится молекула вирусной РНК.

Процесс самосборки ВТМ начинается со связывания белковых субъединиц – двухслойных дисков, с определенным местом или сайтом каркаса, роль которого играет вирусная РНК. После связывания с РНК конфигурация белковых молекул изменяется, в результате образуется спиральный нуклеопротеиновый комплекс.

Как и S-слои, наночастицы ВТМ представляют огромный интерес для нанотехнологии, так как их пространственная организация схожа с таковой наноструктуры, образующейся из неорганических соединений и С. В то же время в сравнении с большинством наноструктур из чистого С, неорганическими материалами, вирусные наночастицы образуются спонтанно, путем самосборки в мягких условиях.

Некоторые ученые металлизировали частицы ВТМ. В качестве инструмента они использовали химическое восстановление. В будущем генномодифицированные формы ВТМ, содержащие измененные белки, позволят решить ряд задач нанотехнологии.

Другая распространенная форма упорядоченных вирусных сборок – многогранник, сложенный из плоских субъединиц. В качестве примера можно привести капсид в форме икосаэдра. Подобные капсиды сложены из треугольных блоков, каждый из которых образован тремя идентичными белковыми субъединицами. Таким образом, для сборки целого капсида требуется 60 белковых субъединиц.