|
Одна из основных сложностей при изучении наноразмерных объектов – это увидеть то, что изучаешь. Биологические структуры подобные вирусам, размер которых меньше длины волны видимого света, не только невозможно увидеть с помощью обычного оптического микроскопа, но трудно отразить в их естественной форме и другими методами визуализации.
Междисциплинарная исследовательская группа ученых Университета Калифорнии – Лос-Анджелес (University of California Los Angeles - UCLA) собралась не только для того, чтобы увидеть вирус, но и для того, чтобы использовать результаты исследования его структуры для модификации вирусной частицы таким образом, чтобы она могла нести не болезнь, а лекарственные препараты.
В статье, опубликованной в журнале Science, постдокторант UCLA Хонгронг Лю (Hongrong Liu), занимающийся микробиологией, иммунологией и молекулярной генетикой, и его коллеги сообщают об определении точной атомной структуры аденовируса, которая раскрывает взаимодействия его белковых сетей. Для исследователей по всему миру, пытающихся модифицировать аденовирус для использования в вакцинах и лечения рака методами генной терапии, такая информация о структуре вируса представляет огромный интерес.
Чтобы адаптировать вирус к применению в генной терапии, исследователи удалили его ДНК, которая является причиной возникновения заболевания, заменили ее лекарственными препаратами и использовали совершенствующуюся в течение миллионов лет эволюции вирусную оболочку в качестве средства доставки.
Профессор молекулярной и медицинской фармакологии UCLA Лили Ву (Lily Wu), соруководитель исследования, и ее группа давно ищут пути использования вируса в генной терапии, но их поиску препятствовало отсутствие информации о его поверхностных рецепторах.
«Мы проектируем вирусы для доставки средств генной терапии рака предстательной железы и груди, но существовавшие до последнего времени методы микроскопии не позволяли визуализировать адаптированные вирусы», - говорит Ву. «Это было похоже на попытку собрать автомобиль из его составных частей в полной темноте, когда единственный способ проверить, правильно ли вы это сделали, это сесть в машину и посмотреть, заведется ли она».
Структура частицы аденовируса. Путем усреднения данных тысяч изображений, полученных методом криоэлектронной микроскопии (внизу слева), ученые определили атомную структуру аденовируса человека (цветной). Эта структура выявляет сложные взаимодействия белковых сетей поверхности вирусной частицы (в центре). Знание межбелковых взаимодействий позволяет ученым модифицировать аденовирус с целью использования его оболочки в качестве средства доставки антиканцерогенных препаратов и в генной терапии.
Чтобы добиться лучшей визуализации вируса, Ву попросила помощи у профессора микробиологии, иммунологии и молекулярной генетики UCLA Хонг Чжоу (Hong Zhou), другого ведущего автора статьи. Для получения трехмерных атомных структур биологических образцов, таких как вирусы, Чжоу использует криоэлектронную микроскопию (cryoEM).
Ву, являющаяся также научным сотрудником Калифорнийского института наносистем (California NanoSystems Institute - CNSI) UCLA, узнала о работе Чжоу после того, как его лаборатория в полном составе перешла из Медицинской школы Университета Техаса в Хьюстоне на кафедру микробиологии, иммунологии и молекулярной генетики CNSI.
Сотрудничество группы Ву и лаборатории Чжоу началось около года назад, после того, как переход лаборатории был полностью завершен.
Для создания трехмерной структуры аденовируса человека из 31815 отдельных изображений вирусной частицы ученые руководимой Чжоу лаборатории, работая в Центре электронной визуализации наномашин (Electron Imaging Center for Nanomachines) CNSI, использовали криоэлектронную микроскопию.
«Так как реконструкция отражает детали с разрешением до 3.6 ангстрем, мы можем построить атомную модель всего вируса, точно показывающую, как соединяются и взаимодействуют друг с другом вирусные белки», - говорит Чжоу. Один ангстрем – расстояние между атомами водорода в молекуле воды, а весь аденовирус имеет размер около 920 ангстрем в диаметре.
Вооруженные новыми знаниями, Ву и ее группа продвигаются к своей цели – инженерным версиям аденовируса, пригодным для лечения рака методами генной терапии.
«Этот прорыв – большой шаг вперед, но существует еще много преград, которые нужно преодолеть», - говорит Ву. «Если наша работа окажется успешной, этот метод терапии может быть использован для лечения большинства форм рака, но наши первые попытки сосредоточены на раке молочной и предстательной желез, потому что эти две формы являются самыми распространенными у женщин и мужчин, соответственно».
Группа Ву работает с аденовирусом, так как в предыдущих исследованиях было доказано, что он является хорошим кандидатом для использования в генной терапии благодаря способности к эффективной доставке в организм генетического материала. Кроме того, его вирусная оболочка является безопасным средством доставки: тесты показали, что она не приводит к развитию рака – проблема, с которой пришлось столкнуться при работе с оболочками некоторых других вирусов. В естественных условиях аденовирус относительно не патогенен и вызывает всего лишь кратковременное респираторное заболевание у 5-10 процентов людей.
Криоэлектронная микроскопия позволяет получать реконструкции биологических структур с таким высоким разрешением потому, что находящиеся в тонком слое вирифицированной воды образцы визуализируются напрямую. В противоположность этому при использовании рентгеновской кристаллографии (самый распространенный метод получения моделей биологических структур с атомным разрешением) ученые выращивают кристаллы, реплицируя образец, а затем для выявления их структуры используют дифракцию. Этот метод имеет ограниченные возможности, так как удается вырастить кристаллы далеко не всех белков, образцы для рентгеновской кристаллографии должны быть очень чистыми и однородными; кроме того, кристаллы больших комплексов часто не позволяют добиться высокого разрешения. Такие ограничения привели к невозможности изучения важнейших областей поверхности аденовируса методом рентгеновской кристаллографии.
По материалам
Novel nanotechnology collaboration leads to breakthrough in cancer research
Related Articles: |
