Виртуальные вирусы раскрывают сложную геномную динамику
Вирусы содержат тысячи оснований нуклеиновых кислот, оптимально упакованных в белковую оболочку. Знание того, как вирусы организуют эти огромные информационные хранилища в компактном пространстве, является ключом к пониманию вирусной структуры и разработке лучших средств защиты от патогенных вирусов.
Заглянуть сквозь белковую оболочку вируса, или капсид, непросто. Обычные методы определения структуры, такие как криоэлектронная микроскопия, не могут охватить различные конфигурации генетического материала в каждом вирусе. Еще в 2010 году у Алексея Аксиментьева, биофизика из Университета Иллинойса, возникла идея вычислительно смоделировать структуру вируса. Однако в то время вычислительные методы были недостаточно совершенны. "Мы все время думали об этом, но потом совершили прорыв в методологии", - рассказывает Аксиментьев. Теперь, 14 лет спустя, в исследовании, опубликованном в журнале Nature, его группа сообщила об использовании нового вычислительного подхода для моделирования отдельных фрагментов вируса. С помощью этого метода они изучили бактериофаг HK97 и представили первую структурную модель этого вируса.
Несколько лет назад группа Аксиментьева разработала метод картирования сложных конфигураций ДНК путем их вычислительного моделирования с различным разрешением. Они начинали с грубого разрешения, как у нечеткого изображения, а затем на каждом этапе повышали уровень детализации моделируемой структуры ДНК.
Алексей Аксиментьев и его коллеги использовали мощное компьютерное моделирование, чтобы выяснить, как вирусы упаковывают большое количество ДНК в свои капсиды. Иллюстрация: Крис Маффео/Университет Иллинойса.
В своем новом исследовании ученые использовали этот метод для компьютерного моделирования вируса и его ДНК во время сборки. Имея в качестве отправной точки предварительные экспериментальные данные, такие как структура капсида и силу "движка", который загружает ДНК в вирус, они смоделировали поведение каждого из 26 миллионов атомов во время хаотического процесса загрузки ДНК в капсид. Задача была не из легких: на каждую симуляцию уходило от трех месяцев до года, даже на очень мощных компьютерах.
По словам Эрика Мэя, структурного биолога из Университета Коннектикута, который не участвовал в этом исследовании, моделирование позволило получить беспрецедентное представление о динамике взаимодействия между геномом, капсидом и другими молекулами вируса, которое может быть упущено экспериментальными методами, позволяющими получить лишь усредненную структуру многих частиц. "У этого вычислительного подхода нет таких ограничений", - считает он. "Мы уже знаем белковые компоненты вируса, но теперь мы видим геномную информацию во всех атомных деталях - это очень интересно". Например, исследователи предсказали, что ДНК упаковывается в капсид с помощью метода, называемого экструзией петли, когда белки заставляют ДНК формировать шпильки.
Аксиментьев был удивлен разнообразием геномных конфигураций, полученных в результате моделирования. "Мы интуитивно предполагали, что каждая конфигурация может быть разной, но удивительным для нас оказался масштаб, в котором структуры отличались друг от друга", - говорит Аксиментьев. "Если посмотреть на отдельные вирусные частицы, то они отличаются глобальной конфигурацией, которая возникла в результате разнообразных процессов упаковки".
Маттиас Вольф, структурный биолог из Окинавского института науки и технологии, который не принимал участия в этом исследовании, сказал, что оно позволяет ответить на давний вопрос о том, как вирусы организуют свои геномы. Однако он отметил, что в исследовании отсутствует экспериментальное подтверждение предсказанных структур.
Аксиментьев считает, что они могут улучшить моделирование, чтобы учесть больше физических сил, участвующих в процессе, и меньше зависеть от экспериментальных исходных данных. Его группа также проводит моделирование других вирусов, более сложных. Мэй считает, что очень важно применить эту модель к таким патогенным вирусам, как ВИЧ и SARS-CoV-2, хотя их сложнее моделировать из-за их РНК-геномов. "Было бы интересно увидеть, как [исследователи] попытаются двигаться в направлении вирусов, имеющих большое значение для общественного здравоохранения", - сказал он.
"Кроме того, можно понять стадии вирусной инфекции: как меняется структура вируса, когда он попадает в клетку? Как происходит высвобождение генома из вируса?"
Аксиментьев надеется, что моделирование распространится на более сложные вирусы, включая РНК-вирусы, благодаря использованию целенаправленных экспериментальных данных. Он также стремится к еще более высокой цели: моделированию целой клетки. "Возможно, это произойдет не скоро, но это своего рода Святой Грааль", - говорит он.
