Один из перспективных универсальных способов борьбы с вирусными заболеваниями — запирать и нейтрализовать вирусные частицы в капсулах из биополимеров. Чтобы такой подход работал, капсула, во-первых, должна быть достаточно большой (нужный вирус должен в ней помещаться), а во-вторых, на ее внутренней поверхности должны быть химические группы, которые связываются с функциональными группами самого вируса (и для прочного закрепления лучше, чтобы их было несколько). Чаще всего такие капсулы делают похожими на белковые вирусные капсиды. Однако макромолекулярные клетки из белка обычно не превосходят по размеру ста нанометров, поэтому для больших вирусных частиц их использовать нельзя и в качестве универсального средства нейтрализации вирусов они не подходят.

Американские и немецкие химики под руководством Хедрика Дитца (Hendrik Dietz) из Мюнхенского технического университета предложили вместо белковых капсул использовать для связывания вирусов оболочки, сделанные из молекул ДНК. Благодаря технологии ДНК-оригами из нуклеиновых кислот можно собирать довольно большие структуры, и с высокой точностью менять их геометрию и расположение функциональных групп.

Капсулы для вирусов авторы работы предложили собирать из треугольных элементов. В качестве прототипа такой оболочки ученые использовали икосаэдрические вирусные капсиды. Капсиды составлены из капсомеров — одинаковых белковых элементов, которые складываются в пятиугольные и шестиугольные структуры, а те в свою очередь — в многогранник с икосаэдрической симметрией. В зависимости от размера молекулы ДНК, из которой состоит вирус, отличаться будет и количество капсомеров в капсиде.

Чтобы аналогичный геометрический мотив использовать для создания искусственных капсул, ученые сначала собрали из молекул ДНК несколько видов псевдосимметричных треугольников. Эти элементы могут скрепляться друг с другом по выбранным сторонам, и из них можно собрать многогранники различного размера и формы: от октаэдрической оболочки размером 90 нанометров до сложной капсулы с икосаэдричекской симметрией, очень близкой по форме к сфере, размером 300 нанометров. (Размер полости внутри самой большой капсулы составляет 280 нанометров.) Оболочка минимального размера состоит из восьми треугольных элементов, максимального — из 180. Их молекулярная масса, соответственно, меняется от 43 до 925 мегадальтон. Для увеличения устойчивости капсул в физиологических условиях, после сборки их дополнительно облучали ультрафиолетом, в результате чего образовывались дополнительные ковалентные связи между гранями.

Возможность связывания вирусов в этих капсулах ученые проверили на частицах вируса гепатита B и аденоассоциированного вируса. Для запирания вируса внутри такой капсулы к нужным участкам ее внутренней поверхности прикрепляли антитела, специфичные к нужному вирусу. В результате вирус связывался с несколькими элементами капсулы, в результате чего клетка фактически захлопывалась вокруг него. Благодаря этому удалось ингибировать взаимодействие вируса гепатита B с поверхностью in vitro и нейтрализовать аденоассоциированный вирус в клетках человека.

По словам ученых, современные биотехнологии вполне позволяют производить такие капсулы быстро и в больших количествах. При этом, эти оболочки не взаимодействуют с белком и должны быть не токсичными, кроме того, на их поверхностью с помощью ДНК-оригами можно присоединять и другие функциональные группы.

Процесс сборки икосаэдрических и спиральных капсидов в естественных условиях можно наблюдать с помощью просвечивающей электронной микроскопии. Например, американские ученые обнаружили, что вокруг центра вирусной РНК сначала медленно строится ядро капсида, после чего к нему присоединяются остальные белки. Из-за этого иногда образуются «многоголовые» частицы и капсиды-«переростки».

Фото: Christian Sigl et al. / Nature Materials, 2021