Нанороботы на основе бактериофага Т4 - будущая вакцина против рака

Биологи во главе с Майклом Россманом получили детальное изображение процесса инфекции бактерии E. Сoli бактериофагом Т4. По ним исследователи восстановили процесс покалывания клеточной мембраны вирусом. В течение этого процесса бактериофаг изменяет форму своего основания (формой похожего на цветок) для того, чтобы эффективно присоединиться к клеточной мембране и проколоть ее специальным "стержнем", который выдвигается по мере того, как основание изменяет свою форму. Для того, чтобы добиться такой трансформации основания, ряд белков, его составляющих, изменяют свою форму. С помощью криоэлектронной микроскопии команда исследователей получила ряд изображений основания, по которым была восстановлена динамика процесса. По результатам исследователей был составлен видеофильм, который объясняет, как работает механизм "впрыска" бактериофага Т4. Исследователи надеются, что знание механизма работы иньектора бактериофага поможет в будущих методах доставки лекарств.

Бактериофаг Т4 – настоящий «Tyrannosaurus Rex» среди вирусов, поэтому это наилучший объект для исследований (размеры его составляют порядка 100 нм в длину и ширину). Т4 также «стволовой вирус», так как имеет ствол с прикрепляющимися к нему отростками для захвата бактерии. В 1 мм3 обыкновенной воды существует обычно около миллиарда фагов.

Исследования были проведены двумя институтами: Purdue Institute (США) и Институтом биоорганической химии (Москва). Ранее исследователи узнали структуру основания бактериофага Т4 и построили ее точную модель. Теперь же стала известна механика процесса иньекции.

Основание бактериофага Т4 состоит из 16 различных типов белков. Перед иньекцией эти протеины собираются вместе, формируя гексагональную структуру.

Вирус Т4 (см. рис.1) состоит из икосаэдральной головки, содержащей вирусную ДНК, ствола, основания ствола и стволовых отростков – шести длинных и шести коротких. Длинные отростки сперва находят E.Coli, а, затем короткие прочно прикрепляются к клетке. Основание при этом передает импульс в ствол, который сокращается, как мускул, выдавливая из себя вирусную ДНК в клетку-хозяина. Основание вируса управляется как прокалывающим устройством, расположенным у ствола, и энзимом, режущим мембрану клетки E. Coli. Этот энзим делает отверстие нанометровых размеров в мембране клетки, через которое вирусная ДНК поступает в клетку-хозяина. E. Coli, таким образом, инфицируется и биохимическая машина клетки продуцирует новые фаговые частицы, и, в конце концов, клетка гибнет. «Для начала наше исследование показывает структуру белков, входящих в состав основания вблизи ствола (так называемого биохимического прокалывающего устройства), и их роль в проникновении вирусной ДНК через мембрану клетки», - сказал Россман.

В январском выпуске «Nature», 2002г. описывается, как вирус использует иглоподобное биохимическое прокалывающее устройство для инфицирования клетки- хозяина E. Coli. “Мы показали, что это сложная биохимическая машина, позволяющая вирусу эффективно внедряться в клетку-хозяина. Основание ствола вируса играет основную роль в этом процессе, ”- говорит Майкл Россман.

На рис. 2 представлено строение белков основания, смоделированное с помощью программного обеспечения «SPIDER». Данные для модели получены при исследовании 418 микрофотографий замороженных вирусных частиц. Область, обозначенная (gp27-gp5*-gp5c)3 – биохимическое прокалывающее устройство. Наибольшая активность прокалывающего энзима наблюдается посредине «иглы». Рис. а – стереофотография основания, рис. b – его молекулярная структура. 1 ангстрем = 1/100000 см.

Также было установлено, что при приближении к клеточной мембране основание деформируется – становится похожим на плоскую звезду. Это облегчает контакт с мембраной и сопутствует внедрению в нее «иглы».

Подобные исследования всегда связаны с исследованиями в нанотехнологическом молекулярном производстве. На базе этих знаний можно прогнозировать появление антибиотиков высокой эффективности действия.

"Теперь мы построили модель того, как работает белковая машина иглового впрыска ДНК бактериофага", говорит Россман.

"У вирусов талант в доставке своей ДНК внутрь живых клеток. Поэтому мы можем использовать некоторые из видов вирусов для доставки здоровой ДНК внутрь раковых клеток" - говорит исследователь Лейман. "Белковое основание фага Т4 может с таким же успехом поражать человеческие клетки. Поэтому логично использовать наше знание о механизме впрыска фага в доставке лекарств к раковым клеткам."

На основе вирусов ученые предполагают создать устройство генной терапии нанометровых масштабов, которое будет лечить отдельные клетки.