Проводники для генов

В международном коллективе ученых, куда входили исследователи из МГУ, разработаны уникальные наноструктуры для доставки лечебных генов в клетки.  Их статья опубликована в престижном международном журнале Nature Nanotechnology.

Генная терапия — это сравнительно новая область медицины, нацеленная на лечение наследственных болезней. «Истории успеха» здесь пока можно пересчитать по пальцам, но последнее время генная терапия развивается быстрыми темпами, в том числе испытываются схемы для лечения рака. Суть метода в принципе очевидна — ввести в организм генетический материал, который бы «все исправил». Но дьявол скрывается в деталях. Как внедрить в уже сформировавшийся геном чужеродную генетическую информацию? В некоторых случаях решение подсказывает сама природа, притом с помощью не самых лучших своих представителей. Печально известный ВИЧ представляет собой ретровирус — частицу, способную путем хитрых манипуляций встраивать свой геном в ДНК человека, и тем самым себя воспроизводить.

Ученые уже достаточно давно скопировали этот механизм и изобрели так называемые ретровирусные векторы — генетически модифицированные ретровирусы, несущие ген, который нужно встроить в клетку. Увы, у методики есть недостатки. Перенос генов от вектора к ДНК человека процесс физиологически не быстрый, кроме того часто не удается создать высокую концентрацию вирусных частиц. До недавних пор единственным разрешенным препаратом, который хоть как-то все ускорял, был ретронектин — белок, состоящий более чем из 500 аминокислотных остатков. Однако вполне возможно, что скоро все изменится. Короткий пептид всего из 12 аминокислотных остатков, перекрывающий ретронектин по своим возможностям, разработали в международном коллективе ученых, куда вошли исследователи из МГУ; их статья опубликована в авторитетном журнале Nature Nanotechnology (Nature Nanotechnology 2013, 8(2):130-6. doi: 10.1038/nnano.2012.248).

Ученые обнаружили, что пептид, названный ими EF-C, способен к самоорганизации в стержнеобразные наноструктуры (фибриллы) диаметром около 4 и длиной 100-400 нм, которые связываются с ретровирусными векторами и помогают им слиться с клеточной мембраной, после чего те могут вбросить в клетку генетический материал.

В экспериментальных исследованиях пептид EF-C ускорял инфицирование клеток ретровирусами и оказался как минимум в 4 раза более эффективным, чем другие известные пептидные препараты, и при этом — малотоксичным. Кроме того, с ним оказалось гораздо проще и удобнее работать, чем с аналогами — EF-C соединяется с ретровирусами в обычном растворе, а в случае ретронектина требуются специально подготовленные поверхности.

Один из важнейших вопросов всей работы — какие структурные особенности помогают фибриллам быть настолько эффективными? На этот вопрос ответ нашли ответ российские участники исследования, проведшие компьютерное моделирование самосборки фибрилл на суперкомпьютере МГУ «Ломоносов»*.

«Когда было открыто ускорение доставки ретровирусных векторов в эукариотические клетки, то сотрудники Медицинского центра Университета Ульма, обнаружившие эффект, стали искать его молекулярные причины. Для этого нужно было сделать много измерений самыми разными методами, в том числе и то, что сделали мы — молекулярное моделирование самосборки пептидов», — рассказывает проректор МГУ академик Алексей Хохлов, руководивший этой частью исследования. — «Моделирование объяснило результаты, полученные экспериментальным путем; потом это объяснение и предсказания компьютерного моделирования в свою очередь были проверены дополнительными экспериментами».

На суперкомпьютере «Ломоносов» ученые выяснили, что фибриллы закручиваются в спираль с длиной периода 28 нм. «Это имеет ключевое значение для их биологических свойств», — говорит научный сотрудник биологического факультета МГУ Алексей Шайтан.

Взаимодействие ретровирусных частиц (отрицательно заряженных) с клеточной мембраной (тоже отрицательно заряженной) возможно, если между ними сократить отталкивание. Например, к вирусным частицам цепляют положительно заряженные полимерные молекулы — получившиеся комплексы не отталкиваются от мембран. Такие молекулы заворачиваются вокруг вирусов, плотно закрывая его заряды, но тем самым утрачивая и свои; комплекс в итоге преимущественно электронейтрален. «Они обматывают вирусы как бусы», — комментирует Алексей Шайтан — Сколько зарядов на вирусе — примерно столько же бусин он на себя цепляет. Это теперь незаряженная частица, которая может сесть на мембрану, а может и не сесть — ведь бусы еще к тому же закрывают гликопротеины вируса, которыми он взаимодействует с наружными клеточными рецепторами».

С фибриллой все по-другому: по данным компьютерного моделирования, она закручена в толстую спираль, вокруг оси которой со всех сторон располагаются положительные заряды. Поэтому если одной стороной спираль «прильнула» к вирусу, то другая — всегда свободна и заряжена положительно; это помогает комплексу притянуться к мембране, а в итоге приводит к большему захвату вирусных частиц клеткой. «Понятно, что жесткие фибриллы еще и не обматывают вирус — гликопротеины свободны, и могут провзаимодействовать с рецепторами на поверхности клетки», — говорит Шайтан. Его компьютерный эксперимент также показал, что фибриллы сами по себе очень стабильны в растворе и могут в таком виде существовать сколь угодно долго, не распадаясь на исходные пептидные молекулы и не слипаясь между собой. «Не факт, что мы смогли бы говорить о перспективах для клинической практики, будь фибриллы неустойчивы», — считает Шайтан.

Примечательно, что методы компьютерного моделирования, примененные для решения задачи с фибриллами, вначале предназначались для других целей.

«По удачному совпадению опыт в изучении самосборки полипептидов в волокна у нас был как раз недавно наработан в проекте по моделированию прочных потенциально электропроводящих волокон на основе блок-сополимеров полипептид-политиофен. Мы смогли сразу же использовать эти наработки в новой задаче», — отмечает Хохлов. Статья по потенциально электропроводящим волокнам была опубликована в 2011 году в журнале ACSNano. (ACSNano, 2011, 5(9):6894-6909. doi: 10.1021/nn2011943)

Молекулярная модель фибрилл. Они закручиваются в спираль с периодом длиной 28 нм