На прошлой неделе российская компания Visual Science показала первую в мире модель вируса Зика атомного разрешения. По словам создателей, изображения, сделанные на основе этой модели - самые подробные и научно достоверные из всех, что есть на сегодняшний день. Вирусами компания занимается уже не первый год, в ее «Зоопарке» есть и ВИЧ, и Эбола, и грипп, многие другие. О том, по каким стандартам работают в Visual Science и почему свои модели авторы называют самими точными в мире, мы поговорили с основателем компании Иваном Константиновым.
Когда началась работа над созданием модели вируса и сколько времени она заняла?
Для нас это рекордная по срокам работа. Обычно большие и сложные вирусы занимают восемь-девять месяцев моделирования. В случае с Зика мы бросили на работу все наши ресурсы и справились за три недели.
Я так понимаю, что интерес к этому вирусу связан с наблюдаемой сейчас вспышкой и возможной эпидемией вируса в Северной Америке?
Вообще, мы никогда не делали свои модели под какие-то глобальные события, «к случаю». Даже вирус Эбола, изображение которого использовалось практически всеми мировыми СМИ во время недавней вспышки 2014 года было сделано задолго до самой вспышки. Мы выбираем вирусы исходя из того, насколько они распространены и опасны, насколько интересна их структура. И, конечно, насколько хорошо она изучена. Но модель вируса Зика - это для нас первый опыт такого «скоростногогорячего» моделирования.
Сколько человек трудилось над моделью?
(считает) Восемь человек.
Вы говорите о своих моделях как о «самых научно достоверных изображениях» из тех, что существуют на сегодняшний день. В связи с этим возникают два вопроса. Во-первых, что это значит - что вы в вкладываете в понятие «научной достоверности» по отношению к модели? И, во-вторых, как эта достоверность достигается?
Следует прежде всего сказать, что наша компания основана молекулярными биологами и специалистами по биоинформатике. Поэтому наш научный бэкграунд определяет то, как мы подходим к моделированию. В основе нашего моделирования - упор на научную экспертизу, которая позволяет избежать тех ошибок, которыми изобилуют модели, если над ними работают исключительно дизайнеры и художники. Где в работе над моделью нет научной составляющей.
При создании каждого вируса мы работаем по следующей схеме. Сначала анализируем все доступные публикации, которые касаются его структуры, на основе чего составляется глобальный обзор литературы, формируемый по неким определенным внутренним стандартам. Мы определяем, какие из компонентов вируса изучены полностью - для которых из них есть данные рентгено-структурного анализа - и какие из них не изучены. Для каждого из компонентов определяем, каких из его фрагментов нет в рентгеновских структурах. Метод рентгено-структурного анализа предполагает, что многие участки белка, которые сложно кристаллизовать получить осложняют получение кристаллов - трансмембранные фрагменты, участки с подвижной структурой и так далее - могут специально отрезаться учеными, так что их просто нет в опубликованных данных. Мы находим эти недостающие фрагменты и достраиваем их структуру на основе тех методов, которые сейчас используются для этого в науке (это данные о структуре родственных белков и методы молекулярной динамики).
На следующем этапе мы проводим предсказание белок-белковых взаимодействий внутри вируса: какие белки и какими поверхностями друг с другом контактируют в вирионе, как именно устроены белковые комплексы. Рентгено-структурный анализ информацию об этом обычно не дает, потому мы обращаемся к методам молекулярного докинга.
Бывает, когда строение компонентов некого вируса нам вообще пока не известно. В таком случае приходится использовать данные о родственных вирусах как шаблоны для новой структуры. Это тоже довольно распространенная методика в науке, для этого разработаны специальные протоколы, которые мы и используем при моделировании.
Наиболее дискуссионным моментом модели почти всегда является упаковка генома вируса. Это очень сложная задача, которая часто просто не может быть однозначно решена существующими методами. Поэтому мы всегда говорим, что показываем в модели только возможный вариант укладки генома. Мы, конечно, стараемся максимально полно предсказать для генома ДНК-белковые или РНК-белковые взаимодействия, пытаемся установить методами биоинформатики элементы третичной пространственной структуры РНК-геномов. Но абсолютно достоверно это сделать сейчас просто невозможно. Это самостоятельная, большая и интересная научная задача.
Плюс ко всему для каждого проекта мы отбираем наиболее авторитетных экспертов, которые посвятили многие годы изучению того или иного вируса, проводим с ними консультации. В случае вируса гриппа, например, это была группа Хайме Мартина-Бенито из Испанского национального центра биотехнологий и ряд других исследователей. Для ВИЧ это был Егор Воронин из Global HIV Vaccine Entreprise. При моделироваании Эбола мы общались с Рональдом Харти из Университета Пеннсильвании.
А Зика?
Вирус Зика - довольно экзотичная вещь, он долго был обделен вниманием ученых. В данном случае не было каких-то крупных научных групп, которые были бы лидерами в этом вопросе и могли бы нам помочь. К счастью, это вирус достаточно простой, и особой необходимости привлекать сторонних консультантов в данном случае не возникло, мы справились своими силами. Уже после того, как модель была готова, мы получили ряд минорных комментариев, касающихся, например, глубины погружения в мембрану трансмембранных фрагментов белков.
Что было самым сложным при создании этой модели?
Наверное, пространственная организация упаковки генома. Это всегда сложно.
У какого процента белков в случае вируса Зика уже есть рентгеновские структуры, а что вам приходилось восстанавливать методами моделирования по-аналогии?
Пока кристаллографические данные о структурах белков непосредственно вируса Зика не доступны, так что все пространственные модели были сделаны на основе прочитанного генома и близких белков из родственных вирусов Денге, Западного Нила или желтой лихорадки.
Вирус Зика - последнее пополнение в вашем «Зоопарке Вирусов». Расскажите, пожалуйста, что это за проект и какие цели вы перед ним ставите.
«Зоопарк» - это первая в мире попытка создать коллекцию научно достоверных моделей вирусов человека с атомным разрешением. Дело в том, что вирусы слишком маленькие для того, чтобы изучать их методами, которые подходят для исследования клеток. С другой стороны, они слишком большие, чтобы работать с ними как с белками и получать рентгеновские структуры. Получается, что мы довольно много знаем о строении отдельных вирусных компонентов и о том, как вирусы ведут себя в клетках. Но увидеть вирусы своими глазами, рассмотреть их во всех подробностях можно только с помощью компьютерного моделирования.
Тут есть даже некоторый парадокс: любой ребенок знает, как выглядит далекий от нас Марс, но на что похож вирус гриппа, которым мы все болеем ежегодно, знают немногие. Собственно, из этого желания - показать людям красоту и сложность микро и наномира вирусного мира - и вырос наш «Зоопарк Вирусов». Это прежде всего чисто просветительский и образовательный проект, и мы рады, что многие наши изображения уже попали на страницы ведущих учебников и руководств.
Не могу не спросить: мой любимый гигантский мимивирус попадет в «Зоопарк»?
Мимивирус, конечно, очень большой. Правда большой, не заражает человека, а “Зоопарк вирусов” прежде всего о вирусах человека. И, к тому же, довольно плохо изучен. Надо понимать, что в наших моделях представлены все молекулы, которые есть в вирионе, даже отдельные липиды мембраны. Поэтому даже в случае с Эболой счет молекул уже идет на миллионы, и моделирование требует очень больших ресурсов. В этом смысле мимивирус, который по размеру оставляет позади некоторые бактериальные клетки, выглядит, конечно, устрашающе. Видимо, для его моделирования нам потребуется разработать особый подход, так что это задача не ближайшего будущего. Пока мы сфокусированы на более изученных и распространенных вирусах - вирусе герпеса, гепатитов и еще десятке других.
Вирус Эбола
Вирус Гриппа A/H1N1
Вирус иммунодефицита человека
Вирус папилломы человека - HPV
2.4.1. Открытие
В 1852 г. русский ботаник Д.И. Ивановский впервые получил инфекционный экстракт из растений табака, пораженных мозаичной болезнью. Когда такой экстракт пропустили через фильтр, задерживающий , отфильтрованная жидкость все еще сохраняла инфекционные свойства. В 1898 г. голландец Бейеринк придумал новое слово «вирус» (от латинского слова, означающего «яд»), чтобы обозначить этим словом инфекционную природу определенных профильтрованных растительных жидкостей. Хотя удалось достичь значительных успехов в получении высокоочищенных проб вирусов и было установлено, что по химической природе это нуклеопротеины (сложные соединения, состоящие из и нуклеиновых кислот), сами частицы все еще оставались неуловимыми и загадочными, потому что они были слишком малы, чтобы их можно было увидеть с помощью светового . Именно поэтому вирусы и оказались в числе первых биологических структур, которые были исследованы в электронном микроскопе сразу же после его изобретения в тридцатые годы XX столетия.
2.4.2. Свойства вирусов
Вирусы обладают следующими свойствами.
Ниже мы рассмотрим эти свойства более подробно.
Размеры
Вирусы – это мельчайшие живые организмы, размеры которых варьируют в пределах от 20 до 300 нм; в среднем они раз в пятьдесят меньше . Их нельзя увидеть с помощью светового микроскопа, и они проходят через фильтры, не пропускающие бактерий.
Происхождение
Исследователи часто задаются вопросом, живые ли вирусы? Если считать живой любую структуру, обладающую генетическим материалом (ДНК или РНК) и способную к самовоспроизведению, то ответ должен быть утвердительным: да, вирусы – живые. Если же признаком живого считать наличие клеточного строения, то ответ будет отрицательным: вирусы не живые. К этому следует добавить, что вне клетки-хозяина вирусы неспособны к самовоспроизведению.
Для более полного представления о вирусах необходимо знать их происхождение в процессе эволюции. Существует предположение, хотя и недоказанное, что вирусы – это генетический материал, некогда «сбежавший» из прокариотических и эукариотических клеток и сохранивший способность к воспроизведению при возвращении в клеточное окружение. Вне клетки вирусы находятся в совершенно инертном состоянии, однако они обладают набором инструкций (генетическим кодом), необходимых для того, чтобы вновь проникнуть в клетку и, подчинив ее своим инструкциям, заставить производить много идентичных себе (вирусу) копий. Следовательно, логично предположить, что в процессе эволюции вирусы появились позже клеток.
Строение
Строение вирусов очень простое. Они состоят из следующих структур:
- сердцевины – генетического материала, представленного либо ДНК, либо РНК; ДНК или РНК может быть одноцепочечной или двухцепочечной;
- капсида – защитной белковой оболочки, окружающей сердцевину;
- нуклеокапсида – сложной структуры, образованной сердцевиной и капсидом;
- оболочки – у некоторых вирусов, таких как ВИЧ и вирусы гриппа, имеется дополнительный липопротеиновый слой, происходящий из плазматической мембраны клетки-хозяина;
- капсомеров – идентичных повторяющихся субъединиц, из которых часто бывают построены капсиды.
Рис. 2.16. Схематическое изображение вируса в разрезе.
Общая форма капсида отличается высокой степенью симметрии, обусловливая способность вирусов к кристаллизации. Это дает возможность исследовать их как методом рентгеновской кристаллографии, так и с помощью электронной микроскопии. Как только в клетке-хозяине образуются субъединицы вируса, они сразу же могут путем самосборки объединиться в полную вирусную частицу. Упрощенная схема строения вируса показана на рис. 2.16.
Рис. 2.17. А. Икосаэдр. Б. Электронная микрофотография вируса простого герпеса, полученная методом негативного контрастирования (окрашивается не сам препарат, а его фон). Обратите внимание, насколько отчетливо видны детали строения вируса. Индивидуальные капсомеры просматриваются как раз там, где между ними проник краситель.
Для структуры капсида характерны определенные типы симметрии, особенно полиэдрическая и спиральная. Полиэдр – это многогранник. Наиболее распространенная полиэдрическая форма у вирусов – икосаэдр, у которого имеется 20 треугольных граней, 12 углов и 30 ребер. На рис. 2.17, А мы видим правильный икосаэдр, а на рис. 2.17, Б – вирус герпеса, в частице которого 162 капсомера организованы в икосаэдр.
Рис. 2.18. А. Строение вируса табачной мозаики (ВТМ); видна спиральная симметрия капсида. Показана только часть палочковидного вируса. Рисунок построен на основе результатов рентгено-структурного анализа, биохимических данных и электронно-микроскопических исследований. Б. Электронная микрофотография вируса табачной мозаики, полученная методом негативного контрастирования (х 800 000). Капсид (оболочка) образован 2130 идентичными белковыми капсомерами. В. Растение табака, инфицированное ВТМ. Обратите внимание на характерные пятна в тех местах, где ткань листа отмирает.
Наглядной иллюстрацией спиральной симметрии может служить показанный на рис. 2.18, Б РНК-содержащий вирус табачной мозаики (ВТМ). Капсид этого вируса образован 2130 идентичными белковыми капсомерами. ВТМ был первым вирусом, выделенным в чистом виде. При заражении этим вирусом на листьях больного растения появляются желтые крапинки – так называемая мозаика листьев (рис. 2.18, В). Вирусы распространяются очень быстро либо механически, когда больные растения или его части приходят в соприкосновение со здоровыми растениям, либо воздушным путем с дымом от сигарет, для изготовления которых были использованы зараженные листья.
Рис. 2.19. А. Строение бактериофага Т2. Б. Электронная микрофотография бактериофага, полученная методом негативного контрастирования.
Вирусы, атакующие бактерий, образуют группу, называемую бактериофагами или просто фагами. У некоторых бактериофагов имеются четко выраженная икосаэдрическая головка и хвост, обладающий спиральной симметрией (рис. 2.19). На рис. 2.20 и 2.21 приводятся схематические изображения некоторых вирусов, иллюстрирующие их относительные размеры и общее строение.
Рис. 2.20. Несколько упрощенных схематических изображений вирусов, отражающих различие их симметрии и размеров. Фаг Т2 показан с нитями хвостового отростка, которые фаг выпускает перед тем как инфицировать клетку; у фага? нитей хвостового отростка нет.
Рис. 2.21. Строение вируса иммунодефицита человека (ВИЧ), относящегося к ретровирусам. Конусовидный капсид состоит из уложенных по спирали капсомеров. Спереди капсид срезан, чтобы были видны две копии РНК-геномов. Под действием фермента, называемого обратной транскриптазой, информация, закодированная в этих одноцепочечных РНК-цепях, транскрибируется в соответствующие двухцепочечные ДНК-нити. Капсид окружен белковой оболочкой, заякоренной в липидном бислое – оболочке, полученной от плазматической мембраны клетки-хозяина. В этой оболочке содержатся встроенные в нее вирусные гликопротеины, которые, специфически связываясь с рецепторами Т-клеток, обеспечивают проникновение вируса в клетку-хозяина.
Вирусы слишком малы, чтобы их можно было разглядывать под обычным микроскопом. Поэтому их разглядывают под микроскопом электронным.
Давайте взглянем на некоторых из них:
Тут мы видим два вируса – слева стрелочкой показан ротавирус , справа – аденовирус . Видно, что он аденовирус имеет форму икосаэдра, а ротавирус – покрытый пупырышками шарик. Оба найдены в стуле ребенка с диареей (вызваной ротавирусом). 
Кстати, заметьте технологический прогресс. Тут тоже изображен аденовирус, но деталей практически не разглядеть. Это статья 1984 года, а выше была – 2003.
Парвовирус . Он существенно меньше предыдущих двух (масштаб показан на обоих картинках). Даже под электронным микроскопом парвовирус разглядеть трудно.
А это родственник оспы. Овальная форма, примерно 200 нм в длину.
Вирус полиомиелита . Очень маленький, но очень зловредный. РНК, заключенная в белковую оболочку. Шкала - 100 нм.
Вирус гриппа . Покрыт липидной оболочкой, упорядоченной внутренней структуры не имеет. Видно, что вся его поверхность покрыта белками оболочки - HA и NA. Шкала - 100 нм.
А это клетки, зараженные вирусом Nodamura . Вирус собирается и накапливается внутри клеток, ему не нужно быть покрытым клеточной мембраной. Когда клетка переполняется, она лопается и вирусы выходят наружу.
А это клетки, зараженные вирусом SARS . Он собирает свой капсид около клеточной мембраны и потом отпочковывается от клетки, унося вместе с ней кусочек ее мембраны. Поэтому новые вирусные частицы выходят из клетки постепенно. Стрелкой показана вирусная частица в процессе сборки. Видно, что вирусные частицы находятся в пространстве между клетками.
Довольно старая, но неплохая фотография
Неживой клеточный инфекционный агент, способный размножаться только в других клетках. По своему составу вирусы более близки биополимерам и вне клетки ведут себя именно так, не проявляя признаков живого. К классу живой природы они не относятся. Вирусы доставляют людям массу неудобств - существует целый класс опасных и досадных вирусных заболеваний, от герпеса до ВИЧ, которые не лечатся антибиотиками в принципе. Вирус (от лат. «яд») - это отдельный домен биологической природы, «организмы на грани живого». Исследование вирусов может пролить свет на другие возможные типы полуживых организмов, которые могут встретиться нам на просторах исследуемых галактик.
В середине XX века ученые разработали антибиотики - вещества, которые были способны уничтожить практически любой болезнетворный вирус и спасти жизни тысяч людей. Со временем многие бактерии и некоторые виды антибиотиков утратили свою силу и актуальность, но большинство из них применяется в медицине до сих пор. Например, ваш лечащий врач во время одного из приемов может выписать оксолиновую кислоту, которая входит в группу фторхинолонов. Но знаете ли вы, что из-за приема этого антибиотика у вас могут возникнуть проблемы с сердцем?
Многие виды опасных для жизни бактерий невосприимчивы к антибиотикам, и из-за этого ежегодно погибает около 700 000 людей. Конечно, исследователи со всего мира пытаются разработать новые лекарства, но процесс идет довольно долго, тогда как у них есть еще один, менее проверенный метод лечения инфекций - использование вирусов, поражающих бактерии. Недавно экспериментальный и крайне рискованный метод помог спасти жизнь девушке, вероятность выживания которой составлял менее одного процента. Как происходило лечение?
