Ученые лаборатории биоэлектрохимии ИФХЭ РАН показали, что полипротеин Gag вируса иммунодефицита человека (ВИЧ) при взаимодействии с липидной мембраной (моделью оболочки живой клетки) действует подобно поверхностно-активному веществу, уменьшая поверхностное натяжение мембраны. В результате вблизи области контакта полипротеина Gag с мембраной образуется дополнительный липидный материал, который необходим для формирования новой вирусной частицы в инфицированной клетке. Работа предлагает уникальный физико-химический подход к изучению вирусов и объясняет механизм, с помощью которого вирусные частицы могут формировать свою липидную оболочку при размножении внутри организма человека.
В ИФХЭ РАН показали, что вирусный белок может менять свойства мембран у инфицированных клеток / © Zaret G. Denieva et al., ACS Infectious Diseases
Полипротеин Gag — один из основных компонентов вируса иммунодефицита человека. Он отвечает за сборку вирусной частицы и ее отпочковывание с поверхности плазматической мембраны инфицированной клетки. В ходе этого процесса вирус приобретает свою собственную липидную оболочку как результат взаимодействия с участком плазматической мембраны и ее искривления под геометрию вируса. Вопрос о том, как именно полипротеин Gag добивается искривления мембраны, был предметом долгих споров.
В ИФХЭ РАН рассмотрели механизм действия полипротеина Gag с помощью разработанной ранее в лаборатории биоэлектрохимии системы липидных нанотрубок. Этот метод хорошо себя зарекомендовал как модельный инструмент для изучения свойств липидных мембран и взаимодействия с ними различных белков. Электрическое сопротивление просвета цилиндрической нанотрубки связано с ее радиусом. Измеряя электрический ток и рассчитывая из него значение сопротивления по закону Ома, можно оценить, как радиус нанотрубки изменяется при адсорбции на ней белка.
«Измеряя физическую величину – ток, мы можем делать выводы об изменении формы нанотрубки, – рассказал заведующий лабораторией биоэлектрохимии ИФХЭ РАН, доктор физико-математических наук Олег Батищев. – Если белок хочет поменять форму мембраны, подстраивая ее, например, по геометрию вирусной частицы, то мы можем зарегистрировать данный процесс по изменению сопротивления просвета нанотрубки».
Радиус липидной нанотрубки определяется модулем изгиба и поверхностным натяжением мембраны. Поверхностное натяжение можно рассматривать как энергию, которая необходима для увеличения площади поверхности мембраны. Это значит, что системе выгодно уменьшать поверхностное натяжение. Эксперименты показали, что адсорбция белка на мембране изменяет поверхностное натяжение, и эта величина связана со значением энергии связи мембрана – белок.
«В этом процессе поверхностное натяжение – доминирующий фактор, – отметила ключевой исполнитель исследования, младший научный сотрудник лаборатории биоэлектрохимии ИФХЭ РАН Зарет Дениева. – При адсорбции Gag мы наблюдали изменение фундаментальных физических свойств мембраны, о котором раньше не подозревали: поверхностное натяжение резко упало».
Снижение поверхностного натяжения способствует «размягчению» мембраны и увеличению ее площади в месте адсорбции белка; возникают искривленные участки, необходимые для формирования липидной оболочки вируса в процессе его репликации. Таким образом, возможно, обнаружен новый механизм, с помощью которого белки в составе вирусов регулируют физические свойства клеточных мембран.
Этот эффект напоминает образование пены, когда на клеточной мембране возникает множество пузырьков, внутри которых находится белок Gag. Известны и другие ретровирусы, вызывающие эффекты, визуально похожие на вспенивание мембраны. Возможно, наличие в составе вируса белков, подобных Gag и действующих как поверхностно-активное соединение, является общим свойством ретровирусов.
«В этой работе мы применили физические методы исследования для анализа репликационного поведения вириона, – подвел итог Олег Батищев. – Мы предлагаем новое, с позиции физической химии, объяснение механизма искривления клеточной мембраны, вызванного полипротеином Gag. Тем самым мы выстраиваем междисциплинарный мост между физико-химическими процессами, приводящими к изменению поверхностного натяжения мембраны, и структурой белка, традиционно изучаемой в молекулярной биологии». Работа поддержана Российским центром научной информации.
