Некоторые молекулы способны к самоорганизации, и это открывает широкие перспективы для науки. Ученые Южного федерального университета сделали важный шаг в понимании этого процесса, создав математическую модель, которая объясняет, как белки самостоятельно собираются в устойчивые нанокапсулы. Исследование, поддержанное грантом РНФ, было опубликовано в Journal of the Royal Society Interface.
В пресс-службе вуза проекту Наука Mail пояснили, что белковые наноконтейнеры, состоящие из десятков молекул, выполняют в клетках множество функций: хранят витамины и железо, работают как ферменты. Однако до недавнего времени правила их сборки оставались загадкой, особенно для невирусных структур. В отличие от вирусных капсидов с икосаэдрической симметрией (20 граней), невирусные оболочки имеют тетраэдрическую (4 грани) или октаэдрическую (8 граней) симметрию и содержат сложные капсомеры. Прежние теории, разработанные для вирусов, здесь не работали.
Ученые кафедры нанотехнологии ЮФУ Сергей Рошаль, Ольга Коневцова и Дмитрий Чалин применили теорию Ландау, описывающую рост кристаллов, адаптировав ее для сферической поверхности. В основе модели — «волны плотности», которые определяют расположение белков, подобно тому, как рябь на воде указывает положение гребней. Используя сферические гармоники, исследователи смоделировали укладку белков, развернув сферические оболочки в плоские сетки. Оказалось, что их структура напоминает квазикристаллическую мозаику — элементы расположены упорядоченно, но без простого повторения.
Модель была проверена на 22 структурах из базы данных Protein Data Bank. Совпадение с теоретическими предсказаниями составило 18 из 22 случаев, что говорит о точности модели.
Разработанная теория поможет описывать известные структуры и предсказывать новые, что упростит создание наноконтейнеров и нанореакторов для медицины и химии на основе существующих и гипотетических белковых оболочек. В будущем мы планируем применить этот подход к оболочкам с икосаэдрической симметрией: предварительно, сферические волны плотности с одним-двумя параметрами хорошо описывают и их.