РНК-наномотор открывает тайны вирусов

Обновлено: 24.09.2022

Национальный институт здоровья предоставил грант в размере $7 млн. на пять лет группе ученых из университета Пердью для изучения РНК-наномотора. Предполагается, что это исследование произведет революцию в области наномедицины и поможет в борьбе с такими заболеваниями, как СПИД, гепатит B и рак.

Ранее ученые под руководством проф. молекулярной вирологии Пэйсюаня Го (Peixuan Guo) из университета Пердью построили из молекул РНК несколько различных «матриц» размерами от сотен нанометров до нескольких микрон. Структуру матриц можно задавать заранее, что существенно упрощает конструирование будущих наномашин. Самосборка шла в нанометровом масштабе, но конечные «продукты» в ряде опытов достигали и микронных размеров.

«Наша работа показала, что мы можем управлять структурой трехмерных матриц, полученных с помощью самосборки молекул РНК. Кроме того, теперь мы можем делать матрицы различных размеров, — говорит проф. Го. — В дальнейшем, после проведения дополнительных исследований, с помощью молекул РНК можно будет конструировать сложные наномашины».

Все живые организмы построены из трех основных строительных блоков: молекул ДНК, РНК и белков. Молекула РНК наименее изучена по сравнению с другими строительными блоками. «РНК сочетает преимущества как молекул ДНК, так и белков, — комментирует проф. Го. — Молекулы РНК могут формировать разнообразные структуры, формой которых можно управлять».

Группа проф. Го открыла механизм действия наномотора вирусов. Оказалось, что в основе «работоспособности» этого бионаноактюатора лежит та же молекула РНК. Для наглядности работа молекул РНК была представлена в виде соединяющихся друг с другом фигурок.

Оказалось, что phi29 использует гексамер молекул РНК для своего вирального мотора. При этом сам процесс работы мотора похож на работу двигателя внутреннего сгорания автомобиля. Роль камеры сгорания играет портал — образование внутри капсида вируса, занятое молекулами РНК и ротором. Мономеры молекулы РНК, подобно поршням, поочередно толкают центральный 5-сторонний ротор, заставляя его вращаться. В центре ротора находилась молекула ДНК.


Открытие димеров и тримеров уже было описано проф. Го в предыдущих работах. Но воспроизвести самосборку матриц из димеров и тримеров ученые смогли только сейчас. Теперь они научились программировать таким образом, что они могут соединяться друг с другом в различных комбинациях, формируя сложные наномашины.

Исследователям удалось собрать из молекул РНК «кольца», «треугольники» и «стержни». По мнению ученых, эти структуры можно интегрировать с нанотранзисторами, нанопроводниками, нанотрубками, биосенсорами и другими уже существующими наноструктурами, чтобы получить сложные — возможно, даже нанороботов. Кроме того, самосборка молекул РНК позволит значительно уменьшить стоимость будущих .

Молекулы РНК также отличаются высокой биологической совместимостью с человеческим организмом, поэтому наномашины, изготовленные из , будут пригодны для наномедицинского использования. Также необходимо отметить, что изучение работы вирального мотора может помочь в борьбе с такими заболеваниями, как СПИД, гепатит B и рак.

Физико-химические факторы биологической эволюции

Модель вируса папилломы, предложенная Финчем и Клугом, представляет собой икосаэдр из 72 морфологических единиц, образованных 420 субъединицами первого порядка. Если морфологические единицы образованы не только шестью п пятью субъединицами молекул белка, но и меньшим их числом, то при участии в построении надмолекулярных структур и не-ассоциированных субъединиц первого порядка мо^ут автоматн-чески возникать разнообразные геометрические формы — трубы, эллипсоиды, икосаэдры (см. 20). Еще более сложные морфологические структуры получаются при самосборке отдельных блоков Т-четных фагов (см. 19, б). Самосборка этих фагов определяется большим числом генов — синтез белковых субъединиц контролируется 17 генами, около 30 генов регулируют самосборку образующихся белковых субъединиц и отдельных блоков фага.
Для наших целей совершенная экскурсия в область изучения самосборки вирусов достаточна. Мы видим, что морфология вирусов является следствием структуры, морфологии специфических белковых молекул. Теперь нужно попробовать выяснитьг могут ли по тому же принципу строиться значительно более крупные образования типа клеток инфузорий, сперматозоидов или водорослей?
Интересующий нас вопрос можно сформулировать и иначе: является ли морфология клеток прямым следствием морфологии молекул белков? В таком виде этот вопрос эквивалентен вопросу о возможности многократного увеличения молекул с сохранением их морфологических особенностей. Подобная возможность кажется сомнительной. Форма и морфологические особенности зерен серебра никак не связаны с формой фотографического изображения. Ситуация с клеткой, ее морфологией и формой белковых макромолекул представляется сходной. Диаметр субъединицы белка порядка 10 А, диаметр клетки порядка 10 мк, т. е. их диаметры различаются на 4 порядка. (В фотографии диаметр зерна серебра тоже отличается от линейного размера детали изображения на 4 порядка.) Однако мы не удивляемся тому, что форма даже гигантских монокристаллов является следствием прямого увеличения элементарной кристаллической ячейки атомарно-молекулярных размеров. Но теперь взглянем на рисунки, на которых изображены инфузории, неклеточные гигантские водоросли — вошерия, ацетабулярия, ботридиум и др. (см. 15, 20) уж очень их морфология отличается от морфологии кристалла. Очень уж эта морфология «неправильна» и «причудлива». Однако на примере вирусов мы видели, что в зависимости ?от строения морфологических единиц, а, следовательно, от набора не очень разнообразных субъединиц, автоматически образуются разные достаточно сложные морфологические структуры — полые сферы, эллипсоиды, трубки. Поэтому, если последовательность появления (биосинтеза) тех или иных субъединиц заложена в генетической программе, то можно представить себе последовательность образования очень сложных морфологических структур непосредственно из макромолекул белка.
Следовательно, морфология клетки и ее частей может быть записана в нуклеотидном коде в виде текстов (генов), определяющих синтез в необходимой последовательности полипептидных цепей с определенной последовательностью аминокислот. Естественно, мы говорим сейчас лишь о принципиальной возможности такого механизма морфогенеза клетки. Весьма привлекателен и другой принцип морфогенеза на этом уровне. В самом деле, мы по существу рассматривали следующую модель. Набор разных кубиков разной формы с липкими гранями насыпают в ящик и какое-то время трясут (тепловое движение); кубики сличаются так, чтобы суммарная свободная поверхность, смазанная клеем, была минимальной, т. е. образуется сложная морфологическая структура (эта модель была реализована Ферстером. Затем в ящик добавляют кубики другой формы и снова трясут — прежняя морфологическая структура достраивается, превращаясь в структуру нового типа, и т. д. В этом случае реализуются структурные особенности морфологических единиц и их субъединиц, причем их реализация происходит при стохастическом взаимодействии структурных единиц.
Никаких кинетических особенностей, никакой кинетической организации пространства нам не требовалось. Дело в том, что кинетические особенности вполне могут приводить к пространственным геометрическим эффектам. Это обязывает нас поставить вопрос — не используются ли в биологических морфогенных процессах и кинетические механизмы? А если нет, то почему эволюция прошла мимо столь замечательных явлений?

САМОСБОРКА

спонтанное упорядоченное объединение биополимеров, приводящее к образованию биологически важных структур: рибосом, цитоскелета, мембран, ферментных комплексов, вирусов и т. п. Наиб, ярко выражена способность к С. у белковых молекул (нуклеиновые к-ты, углеводы и липиды также участвуют в этом процессе). С. не требует затрат энергии и осуществляется за счёт образования нековалентных, вторичных связей. При объединении молекул первыми включаются наиб, дальнодействующие электростатич. силы, к-рые ориентируют сближающиеся молекулы, затем подключаются более короткие водородные, гидрофобные и, наконец, ван-дер-ваальсовы взаимодействия. Важную роль в С. играет комплементарность поверхностей взаимодействующих молекул. Как правило, С. протекает с участием одинаковых молекул и сходна с процессом кристаллизации, но вместе с тем возможно взаимодействие и разных молекул.

.(Источник: «Биологический энциклопедический словарь.» Гл. ред. М. С. Гиляров; Редкол.: А. А. Бабаев, Г. Г. Винберг, Г. А. Заварзин и др. — 2-е изд., исправл. — М.: Сов. Энциклопедия, 1986.)

Смотреть что такое "САМОСБОРКА" в других словарях:

самосборка — самосборка … Орфографический словарь-справочник

Самосборка — * самазборка * self assembly процесс сборки субчастиц рибосомы из 16S рРНК и рибосомных белков с поэтапным образованием RI (1 й этап), RI*(2 й этап) и PI* частиц, дополнительных рибосомных белков и образованием 30Sсубчастицы. Этот процесс зависит … Генетика. Энциклопедический словарь

самосборка — спонтанное упорядоченное объединение биополимеров, приводящее к образованию биол. важных структур–рибосом, мембран, ферментных комплексов, вирусов и т. д. Наиболее ярко способность к С. выражена у белковых молекул (в этом процессе могут… … Словарь микробиологии

самосборка — самосборка. См. сборка. (Источник: «Англо русский толковый словарь генетических терминов». Арефьев В.А., Лисовенко Л.А., Москва: Изд во ВНИРО, 1995 г.) … Молекулярная биология и генетика. Толковый словарь.

самосборка — сущ., кол во синонимов: 1 • сборка (22) Словарь синонимов ASIS. В.Н. Тришин. 2013 … Словарь синонимов

самосборка — Термин самосборка Термин на английском self assembly Синонимы Аббревиатуры Связанные термины биомиметические наноматериалы, водородная связь, капсид, нанослой, самособирающиеся монослои, супрамолекулярная химия, супрамолекулярный катализ, темплат … Энциклопедический словарь нанотехнологий

Самосборка — Пример самосборки: характерные проекции бинарных сверхрешеток, образованных различными наночастицами, и модельные элементарные ячейки соответствующих трехмерных структур. Самосборка ( … Википедия

самосборка — Self Assembly Самосборка Процесс образования упорядоченной надмолекулярной структуры или среды, в котором в практически неизменном виде принимают участие только компоненты (элементы) исходной структуры, аддитивно составляющие или «собирающие» … Толковый англо-русский словарь по нанотехнологии. - М.

самосборка в жидкости — Fluidic Self Assembly Самосборка в жидкости Новая технология точной сборки больших количеств миниатюрных устройств. Малый размер, точность сборки, производимой на плоскости, ведут к возникновению очень небольшого числа паразитных связей,… … Толковый англо-русский словарь по нанотехнологии. - М.

Вирусы

Введение

Нет в мире более агрессивной напасти, угрожающей любому живому существу, чем невидимые простым глазом вирусы.

Вирусы поражают всё живущее на земле, представителей всех царств живых существ: самих вирусов (вирофаги)‚ архей‚ бактерий (бактериофаги)‚ водорослей‚ грибов, растений‚ простейших‚ беспозвоночных и позвоночных. Вирусы вездесущи, или убиквитарны (В. М. Жданов и др.).

Сколько генов достаточно иметь, чтобы существовать в качестве самостоятельного живого организма (или его клетки)?

Клетки человека содержат примерно 60 000 генов, кишечной палочки (E. coli) - 4 000, семейство поксвирусов 200-230, мимивирусы 670-690, некоторые хвостатые ДНК-фаги - до 750. Считается, что минимальное число генов у самого простого живого организма равно примерно 500. Самым маленьким одноцепочечным ДНК-геномом обладает цирковирус из семейства Circoviridae: его геном кодирует лишь два белка и содержит всего 2000 нуклеотидов.

РНК-содержащие вирусы содержат всего 5-15 генов, длина геномной РНК у них меньше: 4-35 kb, а у вироидов - около 250 b. Это вызвано более низкой стабильностью РНК во внешней среде по сравнению с ДНК. Вероятно, поэтому эволюционно более длинные РНК-геномы не закрепились в процессе макроэволюции.

Размеры большинства вирусов человека, животных и растений обычно не превышают 100 нм.

К наиболее крупным относятся ДНК-вирусы бактерий (Bac. Megaterium phage -670 kbp), микроводорослей (Pyramimomas-specific virus - 560 kbp) и амёб (Mimivirus -670 kbp). Мимивирусы были обнаружены только в 2003 г., некоторые их гены подобны генам фикоднавирусов и поксвирусов. Их геном содержит более 900 ORF, т.е. их число превышает число ORF в некоторых свободно живущих клетках, а 80 % ORF - уникальны для вирусов. Эти вирусы настолько велики, что даже не проходят через крупные поры величиной 0,2 мкм. Если бы Д.И. Ивановский начал свои исследования не с вируса табачной мозаики, а с мимивирусов, они не прошли бы через его фильтры и он не открыл бы «фильтрующиеся вирусы».

ORF — открытая рамка считывания (англ. Open Reading Frame, ORF) — последовательность нуклеотидов в составе ДНК или РНК, потенциально способная кодировать белок. Основным признаком наличия ORF служит отсутствие стоп-кодонов (в случае РНК — обычно UAA, UGA и UAG) на достаточно длинном участке последовательности после стартового кодона (в подавляющем большинстве случаев — AUG). Поскольку в некоторых случаях стартовый и терминирующие кодоны отличаются от канонических, а также ввиду возможности супрессии (подавления действия) стоп-кодонов при трансляции у некоторых организмов, при определении рамки считывания применяют специальные алгоритмы, которые учитывают эти различия. Количество ORF отражает количество белков, которые может экспрессировать исследуемый геном.

3d_influenza_black_no_key_pieslice_lrg.jpg

вирус гриппа

Определение понятия

Вирусы - это нуклеопротеиновые молекулярные машины, предназначенные для самокопирования и самотиражирования за счёт использования чужих внутриклеточных механизмов. Они способны пассивно сохраняться во внешней среде и активируются только в организме хозяина, являясь внутриклеточными паразитами.

Образно можно сказать, что вирусы - это "дикие" автономные нуклеиновые кислоты (РНК или ДНК), формирующие себе защитную белковую оболочку и ведущие самостоятельное существование, используя ресурсы чужих клеток.

Можно сказать и так: "вирус - это самостоятельный геном в белковой оболочке, размножающийся за чужой счёт".

© 2020-2022 Сазонов В.Ф. © 2020-2022 kineziolog.su

Вирусы - это более мелкие, чем бактерии, неклеточные элементы живой материи, содержащие генетическую информацию (в виде РНК или ДНК), заключенную в белковый чехол, покоящиеся вне клетки и способные к самовоспроизведению (размножению, репродукции) только в живой клетке, обладающие изменчивостью и наследственностью [Жданов В.М. Эволюция вирусов. - М.: Медицина, 1990. - 376 с. ].

«Нано-» в переводе с латинского означает «карлик», нанометр - это единица длины, равная 10 -9 м, что соответствует атомарно-молекулярному уровню строения вещества. Вирусы - это жизнь на «наноуровне».

klassifikaciyavirusov.jpg


Рисунок . Классификация вирусов по В.И. Аголу. Серые стрелки — репликация, розовые — транскрипция, серо-черные — обратная транскрипция ретро- и ретроидных вирусов; розовый шрифт — интермедиаты (промежуточные вещества), черный шрифт в рамке — вирусные геномы; онДНК — однонитевая ДНК. Источник: Агол В.И. (2009). Вирусы: корневая система древа жизни? «Природа». 9, 3–11

Кроме различий в составе нуклеиновых кислот (НК), геном вирусов может быть сегментированным или несегментированным, НК могут быть как кольцевыми, так и линейными, с разрывами в одной из цепей или без разрывов. А кольцевая двуцепочечная ДНК вирусов может иметь дополнительные суперспиральные витки.

Самосборка вируса в вирион (вирусную нуклеопротеиновую частицу)

Самосборка вирусных частиц из отдельных белков, наштампованных на вирусной мРНК в клетке-хозяине клеточными рибосомами — важное свойство вирусов. Оно представляется очень перспективным для использования в бионанотехнологии. В самосборке могут участвовать и более крупные белковые блоки. Получается "супрамолекулярная самосборка" — самопроизвольное объединение молекулярных «кирпичиков» посредством межмолекулярных нековалентных взаимодействий (т.е. слабых взаимодействий). Это обратимый процесс, что позволяет «выбирать» наиболее устойчивую структуру и исправлять ошибки в упаковке [Стид Д.В. и Этвуд Д.Л. Супрамолекулярная химия (т. 1). М.: «Академкнига», 2007. — 480 с.].

Интересно, что на вирусной геномной РНК можно собрать оболочку из белковых частиц, принадлежащих вирусу другого вида. Так, РНК-геном вируса табачной мозаики удалось одеть в белковую оболочку, собравшуюся из белков вируса мозаики подорожника. Правда, при первом же размножении в клетках табака этот гибрид вновь воссоздал обычные вирионы вируса табачной мозаики. Геномная РНК гибрида, принадлежавшая вирусу табачной мозаики, запустила синтез привычных "табачно-вирусных" белков. Наследственность проявила себя!

И даже такой сложный вирус, как бактериофаг, тоже собирается путём самосборки белков и белковых блоков.

Видео: Вирусы: виды, устройство и способы заражения клетки

Самый "заслуженный" вирус - вирус табачной мозаики

Видеолекция: Историю вирусологии и многообразие существующих вирусов. Лектор: О.В. Карпова

Видео: Антивир - комплекс из 6 кинезиологических упражнений против вирусных инфекций

Всего 6 несложных упражнений. Всего пара минут в день. А эффект - заметный!

Сборку вирусных частиц впервые засняли на видео


Американские ученые впервые сняли на видео процесс сборки вирусной частицы. Они обнаружили, что центром сборки обязательно становится вирусная РНК, потом вокруг нее медленно строится «ядро» капсида, а после этого уже присоединяются остальные белки. Им удалось также объяснить, откуда берутся «многоголовые» частицы и капсиды-«переростки», которые иногда встречаются среди вирусов. Работа опубликована в журнале Proceeding of National Academy of Sciences.

Один из возможных способов бороться с патогенными вирусами — блокировать их сборку; так они не смогут выходить из клеток и расселяться по организму. Но для этого необходимо разобраться с тем, как именно эта сборка происходит. Строение капсидов — белковых структур, внутри которых заключены молекулы нуклеиновых кислот вируса — мы уже неплохо себе представляем, а вот как именно из молекулярного раствора возникает упорядоченная симметричная конструкция, все еще неясно.

Рис Гарман (Rees Garmann) и его коллеги из Гарвардского университета изучали динамику сборки вирусного капсида. Их модельным объектом был маленький РНК-содержащий вирус, который заражает клетки кишечной палочки — бактериофаг MS2. Чтобы его рассмотреть, исследователи использовали интерферометрическую рассеивающую микроскопию: суть ее в том, что прибор собирает свет, который рассеивают объект и фон.

Исследователи зафиксировали отдельные молекулы вирусных РНК на подложке и ввели в раствор вирусные белки. Под микроскопом они обнаружили растущие темные пятна. Ученые поставили параллельный эксперимент под трансмиссионным электронным микроскопом, в котором можно было рассмотреть не только размер, но и структуру поверхности частицы. Оказалось, что это действительно капсиды. Их сборку удалось заснять на видео, в среднем она заняла около 300 секунд.


Строение капсида (А), дизайн эксперимента (В), вид в микроскоп (С) и динамика построения капсида (D).

Garman et al. / PNAS, 2019

Поскольку в поле зрения одновременно находилось множество частиц, ученые заметили, что они строятся с разной скоростью. Это можно было бы объяснить диффузией: вероятно, белки успевают «доплыть» до некоторых РНК раньше, чем до других. Но после введения белков прошло от 30 до 50 секунд до появления той или иной частицы — это время гораздо больше, чем нужно для диффузии белков в растворе.

Поэтому авторы работы предположили, что для построения вирусной частицы необходимо сначала некоторое белковое ядро, на которое потом садятся остальные молекулы. Вероятно, разница во времени объясняется именно этим: в некоторых частицах оно случайно образуется раньше, а в других — позже. После того, как частица начала расти — то есть ядро сформировалось — рост идет необратимо. Такой вывод исследователи сделали из того, что размеры частиц растут, но никогда не уменьшаются.

Затем ученые повторили свои эксперименты, изменяя концентрацию белков. Они обнаружили, что чем больше белков в растворе, тем быстрее образуются ядра капсида. Время, которое уходит на рост частицы, тоже снижается, но медленнее, чем время образования ядра. Это наблюдение позволило им объяснить аномальные формы капсидов, которые иногда встречаются у разных вирусов.

Если белков не очень много, скорость образования ядра ниже, чем скорость роста, и формируются обычные замкнутые капсиды. Если белков становится больше, то ядра образуются с той же скоростью, что и растет капсид, и получаются «двуглавые» структуры. Если увеличивать концентрацию белков дальше, то возникают «многоголовые монстры», поскольку ядра образуются в больших количествах на еще недоросших капсидах.


Соотношение фаз нуклеации (образования ядра) и роста в зависимости от концентрации белков (А) и образующиеся при этом структуры (В).

Пожалуйста, не занимайтесь самолечением!
При симпотмах заболевания - обратитесь к врачу.

Читайте также: