Новая теория позволит предсказать самосборку белковых наночастиц

Белковые оболочки вирусов — капсиды, являются одной из наиболее совершенных систем доставки, действующей на наноуровне. Поэтому, после соответствующих модификаций, капсиды и подобные белковые структуры используют, например, медики для доставки лекарств и разнообразных биологически активных веществ, химики для создания защитных оболочек катализаторов и материаловеды для получения функциональных наноматериалов. Всем эти ученым нужны математические модели, способные описать устройство белковых оболочек, процесс их синтеза и взаимодействие с окружением.

Исследователи из Южного федерального университета (Ростов-на-Дону) предложили подход, который позволяет описать самосборку полых белковых наночастиц, напоминающих по форме вирусы. В его основе лежат теория Ландау, посвященная кристаллизации и структурным фазовым переходам в кристаллах. Подход основан на двух центральных идеях. Во-первых, энергия представляется скалярной функцией распределения плотности вещества и не меняется при преобразованиях симметриии 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, называемой параметром порядка, который и определяет симметрию и структуру системы.

Так, авторы, основываясь на классических представлениях, предложили новую модель самосборки белковых наночастиц. Положение компонентов (атомов или молекул), из которых они состоят, характеризуется функциями плотности с определенной симметрией — кубической или икосаэдрической (последняя наиболее часто встречаются среди вирусов и в целом в подобных природных системах). Эти функции, которые по существу являются интерференционными картинами волн плотности распределения вещества, строятся с помощью методов теории симметрии, и соответствуют наиболее энергетически выгодным системам. Рассчитанные оболочки, по внешнему виду похожие на футбольный мяч, предсказывают, каким образом исходные молекулы могут собраться в полую наночастицу. При этом интересно отметить, что многие из полученных в работе оболочек 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 Сергей Рошаль, доктор физико-математических наук, профессор кафедры «Нанотехнология» ЮФУ.