Специалисты ЮФУ представили новую теорию описания самосборки белковых наночастиц

В Южном федеральном университете разработали подход, описывающий процессы самосборки вирусных оболочек и подобных им полых белковых комплексов. Такие комплексы можно будет использовать при создании наноконтейнеров для лекарств и каталитически активных наночастиц
06.02.2023

Рис. Модели хиральных октаэдрических оболочек

Вирусы – это внутриклеточные паразиты, занимающие промежуточную область между живой и неживой природой. Они состоят из генома (РНК или ДНК) и защищающей его оболочки – капсида. Благодаря специфической структуре капсиды являются одной из наиболее совершенных систем доставки на клеточном уровне. Поэтому, врачи используют модифицированные капсиды для доставки лекарств и разнообразных биологически активных веществ к целевым органам.Химики создают наоснове капсидов новые катализаторы, а материаловеды применяют их для получения функциональных наноматериалов. По словам экспертов, всем этим ученым нужны математические модели, способные описать устройство белковых оболочек, процесс их синтеза и взаимодействие с окружением.

В рамках работ по гранту РНФ исследователи кафедры «Нанотехнология» Физического факультета ЮФУ предложили модель, описывающую процесс самосборки полых белковых наночастиц, напоминающих по форме вирусы. Подходоснован на двух основных идеях.

«Во-первых, энергия такой наночастицы представляется скалярной функцией распределения плотности вещества и не меняется при преобразованиях симметрии структуры, например симметрии куба, или двадцатигранника-икосаэдра. При этом у этой функции есть специальные коэффициенты, учитывающие такие факторы внешней среды, как температура и давление. Во-вторых, переход между начальным состоянием, когда составляющие наночастицу молекулы пока не выстроились определенным образом друг относительно друга, и уже сборкой в полноценную структуру наиболее существенно зависит лишь от одной степени свободы, который и определяет симметрию и структуру системы», – объяснил руководитель проекта, доктор физико-математических наук, профессор кафедры «Нанотехнология» Физического факультета ЮФУ Сергей Рошаль.

Проще говоря, энергия такой наночастицы является функцией плотности вещества и остается постоянной при преобразования симметрии частицы. То есть, например, если наночастица совмещается сама с собой при повороте на 900, то и энергия этой частицы при таком повороте не изменится. А процесс перехода от начального состоянияк полноценной структурепреимущественно зависит лишь от одного параметра, называемого параметром порядка, который и определяет симметрию и структуру сформировавшейся наночастицы.

Так, авторы,основываясь на классических представлениях, предложили новую модель самосборки белковых наночастиц. Согласно ей расположение атомов или молекул, из которых состоят белковые наночастицы, определяются функциями плотности с кубической или икосаэдрической симметрией (последняя наиболее часто встречается среди вирусов). При этом такие функции можно рассчитать с помощью методов теории симметрии. Зная их, можно точно определить наиболее энергетически выгодные состояния системы. Рассчитанные таким образом оболочки, по внешнему виду похожие на футбольный мяч, предсказывают, каким образом исходные белковые молекулы собираются в полую наночастицу.При этом интересно отметить, что многие из полученных в работе оболочек (см. рисунок) являются геодезическими полиэдрами, то есть их сферическая поверхность образуется почти правильными треугольниками.

Авторы также обсудили, как можно учесть хиральность исходных молекул, то есть их способность не совмещаться со своим отражением. Это очень важно, поскольку таким свойством обладает большое число природных молекул, в том числе и белки, а еще «зеркальные близнецы» могут кардинально отличаться по свойствам.

«Белковые сферические наноструктуры имеют большой ряд перспективных применений в области медицины. В частности, подобные частицы могут использоваться в качестве наноконтейнеров для направленного транспорта лекарственных веществ. Абиотические металлические наночастицы, например с комплексами серебра и золота, уже широко применяются в качестве катализаторов, и недавно нашли свое применение в плазмонике и оптоэлектронике», — рассказывает руководитель проекта, доктор физико-математических наук, профессор кафедры «Нанотехнология» Физического факультета ЮФУ Сергей Рошаль.

Результаты исследования опубликованы в научном журнале Physical Review B.

 



Читайте также:

Новости
22/03/2023 02:24:00
Губернатор открыл областной турнир по тяжелой атлетике имени Василия Алексеева
21 марта, в городе Шахты губернатор Василий Голубев открыл ежегодный областной турнир по тяжелой атлетике. Состязания стар...
Новости
22/03/2023 02:03:00
Отечественные ученые создали улучшенную систему управления для роботов-помощников
Профессор Института радиотехнических систем и управления ЮФУ, доктор технических наук Анатолий Гайдук вместе с аспирант...
Новости
20/03/2023 14:32:00
В Ростовской области стартовал досрочный период единого государственного экзамена
20 марта, на территории Ростовской области стартовал досрочный период государственной итоговой аттестации в форме един...
Новости
17/03/2023 12:39:00
Василий Голубев: «Важно сохранить набранный темп модернизации Таганрога»
Губернатор Василий Голубев побывал с рабочей поездкой в Таганроге 16 марта...
Новости
17/03/2023 10:54:00
16 марта в Ростовской области прошло торжественное открытие Года педагога и наставника
В Ростовском государственном экономическом университете (РИНХ) состоялось торжественное открытие Года педа...