Суперкомпьютер «Ломоносов»
Ученые МГУ совместно с немецкими коллегами разработали уникальные наноструктуры для доставки лечебных генов в клетки
Ученые из МГУ совместно с коллегами из Германии создали вещество, которое получит широкое применение в генной терапии: пептид EF-C ускоряет перенос «лечебного» гена от генетически модифицированного ретровирусного вектора к ДНК человека.
Генная терапия — это сравнительно новая область медицины, нацеленная на лечение наследственных болезней. Истории успеха здесь пока можно пересчитать по пальцам, но в последнее время генная терапия развивается быстрыми темпами, в том числе испытываются схемы для лечения рака. Суть метода в целом очевидна — ввести в организм генетический материал, который бы все исправил. Но сделать это непросто. Например, как внедрить в уже сформировавшийся геном чужеродную генетическую информацию? В некоторых случаях решение подсказывает сама природа, притом с помощью своих не самых дружественных нам 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. Но у этой методики есть недостатки. Перенос генов от вектора к ДНК человека — процесс физиологически небыстрый, 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 из более чем 500 аминокислотных остатков. Но возможно, в ближайшее время ситуация изменится.
Международным коллективом ученых, куда вошли исследователи изМГУ, разработан короткий пептид EF-C, состоящий всего из 12 аминокислотных остатков, перекрывающий ретронектин по своим возможностям.
Статья опубликована в авторитетном журнале Nature Nanotechnology.
Ученые обнаружили, что данный пептид 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».
Каждая из систем, моделирование которой проводилось, состояла из порядка 300 тысяч атомов. Благодаря использованию параллельных вычислительных технологий по методу декомпозиции области, расчеты проводились с одновременным использованием 256 вычислительных ядер для каждой моделируемой системы, что позволило проводить эти расчеты со скоростью эволюции не менее 30 наносекунд в день. Моделирование проводилось с использованием программного пакета GROMACSv.4.5, размер моделируемой ячейки составил 10х10х30 нм, что позволило моделировать морфологически значимые участки фибрилл длиной 25 нм.
«Когда было открыто ускорение доставки ретровирусных векторов в эукариотические клетки, 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, и получившиеся комплексы не отталкиваются от мембран. Такие молекулы заворачиваются вокруг вирусов, плотно закрывая их 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 (соответствующая статья была опубликована в 2011 году в журнале ACSNano). Мы смогли сразу же использовать эти наработки в новой задаче», — отмечает Хохлов.
