Рoссийскиe учeныe сoвмeстнo с фрaнцузскими кoллeгaми пoстрoили мoдeль, кoтoрaя oписывaeт принципы устрoйствa и рaбoты бeлкoвыx шприцeoбрaзныx нaнoмaшин. Тaкиe структуры ширoкo распространены среди различных биологических объектов, в частности вирусов и некоторых бактерий. Полученные результаты будут полезны для того разработки терапии инфекционных заболеваний, в экспериментах в области генной инженерии и биоинформатики. Продукт выполнена при поддержке гранта Российского научного фонда (РНФ) и опубликована в журнале Nanoscale.

Состояние лет эволюции вирусов привели к возникновению особых структур, помогающих им просочиться в клетку-хозяина и поместить внутрь свой генетический материал: ДНК или РНК. Самый успешными оказались шприцеобразные устройства из двух вставленных одна в другую трубок. При сокращении внешнего цилиндра внутренний протыкает мембрану, и в соответствии с нему в клетку впрыскиваются информационные молекулы.

«Несмотря на ведь, что в общих чертах этот механизм известен уже в некоторой степени десятилетий, относительно точные данные о строении двух подобных систем, вируса бактерий бактериофага Т4 и летяга пиоцина R2   — главного «вооружения» синегнойной палочки, получены лишь в последние пару парение. Бактериофаг T4 использует шприцеобразную наномашину для введения вирусной ДНК в свою жертву. Белки пиоцины R-как, напротив, не впрыскивают какое-либо вещество в клетку, а разрушают ее, проделывая «дыру» в оболочке и нарушая электрохимическое пондерация. Мы построили простую модель на примере бактериофага T4 и пиоцина R2, объясняющую особенности устройства и работы шприцеобразных наномашин»,   — рассказывает ученый кафедры нанотехнологии физического факультета ЮФУ Сергей Рошаль.

Двум трубчатые органеллы наномашины: полая «шпага» и ее «ножны»   – согласованно работают, обеспечивая успешное внедрение в клетку. При соприкосновении с поверхностью мембраны жертвы внешняя трубка, образованная неважнецки закрученными спиралями, претерпевает перестройку, сжимаясь и укорачиваясь. Одновременно с сим в игру включается спрятанная под внешней трубкой жесткая «шпага»: возлюбленная обнажается и протыкает клетку. Сопутствующие этому механизму геометрические переходы связаны с наличием среди трубками определенного соответствия в устройстве и размерах (соразмерности), впервые описанного авторами данной работы.

Любая делание требует затрат энергии, и все системы могут ее совершать чуть только за счет своих внутренних «накоплений», потратить которые сполна нельзя. Этот принцип верен и для шприцеобразной наномашины. Наибольшей внутренней энергией обладает растянутое состояние чехла. Домашнячка внутри «шпага» влияет на геометрию процесса сжатия, как будто бы заставляя систему перейти в положение с минимальной энергией и совершить большую работу. Вдоль словам ученых, эта взаимосвязь была описана красивым в своей простоте соотношением промежду параметрами трубок (расстоянием и угловым сдвигом), изменяющимися при срабатывании наномашины. Появление соразмерности убавляет как энергию взаимодействия самих шпаги и чехла, так и внутреннюю энергию системы. Тепленький выигрыш позволяет увеличить силу, с которой «шпага» пробивает мембрану клетки, делая работу наномашины побольше эффективной.

Найденная соразмерность между внутренней и сжатой внешней белковыми нанотрубками увеличивает кпд работы шприцеобразных наномашин. Сергей   Рошаль

«Исследование устройства и принципов функционирования шприцеобразной наномашины бактериофагов важно пользу кого антибактериальной терапии, особенно в случае развития у вредоносных микроорганизмов устойчивости к традиционным антибиотикам. За вычетом того, бактериофаги являются перспективным вектором (наноконтейнером) для переноса участков ДНК в генной инженерии. Наш брат считаем, что обнаруженная нами закономерность устройства молекулярных наномашин может попадаться в других подобных, но пока еще мало изученных нанообъектах. Сие, например, фагоподобные структуры, которые помогают морским животным знать толк в пространстве, шприцеобразные органеллы клетки и так далее. В любом случае познание о том, что трубки молекулярной наномашины могут стать соразмерными после ее срабатывания, позволит построить больше точные структурные модели данных биологических систем»,   — заключает Сернуля Рошаль.