Автор Тема: Детали мира - Парк вирусов  (Прочитано 2306 раз)

0 Пользователей и 1 Гость просматривают эту тему.

Оффлайн Tortilla

  • Редакция
  • Hero Member
  • *****
  • Сообщений: 10602
Детали мира - Парк вирусов
« : Пятница 25 Сентября 2015 17:24:59 »
Я тут уже выкладывала (в дополнение к основной теме ГМО: за и против) несколько классных научно-познавательных текстов про белки и ДНК. Вот ещё один. Реально интересно для тех, кто "хочет разобраться"  :good:

Как выглядят вирусы?


Детали мира

Стрельникова Л.
(«ХиЖ», 2013, №1)


Может ли прочитанная книга повлиять на судьбу? Конечно, и тому много примеров. Эта история тоже началась с книги «Введение в структуру белка» Карла Брендена и Джона Туза . Учебник с прекрасными иллюстрациями, показывающими основы структуры и строения различных белков, произвел сильное впечатление на Ивана Константинова, в то время студента биофака МГУ им. М.В.Ломоносова. Иллюстрации были восхитительны, тогда в России (а это был 2003 год) ничего подобного еще не делали.

Жизнь шла своим чередом: окончание университета, два года работы в Институте молекулярной генетики РАН, а параллельно — проекты в области графического дизайна, 3D, интерактивных и веб-технологий. И каждый день этого короткого периода первичного накопления капитала — профессионального и жизненного опыта — лишь раздувал огонь желания заниматься научной графикой на самом высоком технологическом уровне. Не хватало лишь идеи, красивой и вызывающей. К 2007 году она сложилась и обрела очертания проекта «Парка вирусов».Удалось быстро собрать команду единомышленников, молодых биологов, химиков, структурщиков, дизайнеров, и учредить студию научной графики, анимации и дизайна «Visual Science» . За проект «Парк вирусов» взялись в 2009-м.

Три года назад никто в мире и не помышлял браться за такую невероятно сложную задачу, как создание молекулярной модели вируса. Современные методы позволяют получать достоверные модели небольших молекул. Но они неприменимы для крупных надмолекулярных комплексов, не говоря уже о большей части вирусов. Однако все случилось так, как говорил Эйнштейн: все знали, что этого сделать нельзя, один не знал — и сделал. Уже в 2010-м изображение модели ВИЧ, созданное в студии Ивана Константинова, было признано лучшей научной иллюстрацией года, по версии журнала «Science» и Национального научного фонда США (NSF), и в этом же году опубликовано на обложке спецвыпуска «Nature Medicine», в галерее журнала «Cell», приуроченной к тридцатой годовщине открытия ВИЧ, и на страницах СМИ, таких, как «Нью-Йорк таймс». Сегодня оно уже вошло во многие авторитетные учебники и в ведущий мировой справочник «Вакцины», который журнал «Ланцет» называет Библией вакцинологов.

Вирус иммунодефицита стал первым обитателем «Парка вирусов» компании «Visual Science». Хотя начинали исследователи с вируса свиного гриппа. «Тогда, в 2008 году, мы еще не понимали, как подступиться, да и техника не позволяла нам работать с огромными массивами информации. Пришлось придумывать и создавать специальные алгоритмы, на что ушел не один год», — вспоминает И.Н.Константинов. Как и положено, первый блин вышел комом. Хотя - с чем сравнивать. Никто в мире до сих пор не может сделать и такого. Но на фоне моделей ВИЧ и Эбола, вскоре появившихся на свет, он действительно простоват и недостаточно детализирован». Однако эта проба пера вооружила исследователей полезным опытом и новыми инструментами моделирования. Теперь уже можно было браться за ВИЧ.

«Когда мы работали над моделью ВИЧ, казалось, что задачи сложнее не придумать, — рассказывает И.Н.Константинов. — Сотни тысяч молекул, хитроумная структура вирусной частицы. С такой сценой не справляются даже самые мощные компьютеры. Но когда мы взялись за вирус Эбола, который в десять — двенадцать раз больше ВИЧ, нам стало казаться, что ВИЧ — это очень просто».

Нет, это совсем не просто. Работа над моделью начинается с поиска и анализа информации. Научный отдел компании, в который входят биологи, все кандидаты наук, анализирует сотни статей в ведущих научных журналах с результатами исследований, проливающих свет на структуру той или иной части вируса. Из этих нескольких сотен отбирают несколько десятков самых значимых и авторитетных публикаций, где обобщены последние данные. На их основе отдел готовит обстоятельный обзор, который сам по себе — добротная научная статья.

Научную часть проекта «Парк вирусов» курирует кандидат биологических наук Ю.Ф.Стефанов, работающий в компании почти с самого ее основания. Его задача — найти белые пятна и спорные моменты в собранных данных и постараться их прояснить. А прояснить можно только в диалоге с ведущими исследователями в этой области. Поэтому компания определяет ключевых экспертов, или консультантов, связывается с ними, и начинается обсуждение.

Интересно, что на призыв к сотрудничеству откликается большинство потенциальных консультантов из ведущих лабораторий мира. Почему? Ведь все они, исследователи с громкими именами, и без того загружены работой. «Я рад этому обстоятельству, — признается И.Н.Константинов. — Каждый раз мы посылаем потенциальному эксперту очень честное и простое письмо, рассказываем о нашем инициативном и некоммерческом проекте — создавать предельно точные, научно достоверные, красивые и аккуратные модели вирусов человека. Наверное, наша честность и энтузиазм передаются через эти письма, и в большинстве случаев мы получаем ответ. Кроме того, созданные нами модели говорят сами за себя, и нас уже знают в мире».

Научный обзор изучает руководитель проекта, тоже биолог. В компании его называют «интегратором», потому что он разбирается во всех этапах создания модели — научной части, молекулярном и 3D-моделировании, дизайне и визуализации. После того как многие спорные моменты и узкие места прояснены с консультантами, интегратор составляет план, по которому начинают работать отделы молекулярного и 3D-моделирования. «Мы уже понимаем, какие белки присутствуют в конечной структуре, какие из них имеют полные структуры, какие — нет, какие комплексы надо создавать, — рассказывает И.Н.Константинов. — Например, поверхностные белки вируса. У этих молекул есть трансмембранные участки, подвижные петли, которые плохо кристаллизуются, поэтому полных данных об их структуре нет. При рентгеноструктурном исследовании эти участки отрезают и изучают основную, неподвижную часть: из нее можно получить регулярный кристалл и установить его структуру. Все недостающие элементы, включая гликозилирование поверхностных белков, мы воссоздаем, используя традиционные методы молекулярного моделирования и динамики».

В отделе молекулярного моделирования создают все компоненты структуры и комплексы, которые должны быть в конечной модели. Следующий этап — 3D-моделирование. Отдел получает точные 3D-координаты каждого атома во всех молекулах, входящих в состав вируса. Если у атома водорода радиус 0,53 ангстрема, то и в модели он будет точно такой же. Здесь фрагменты собирают в единое целое и получают полную модель вириона, которая отправляется в отдел дизайна и визуализации. «Мы не рисуем, а моделируем, то есть точно воспроизводим природную структуру по данным исследований, — объясняет И.Н.Константинов. — Дизайнер не может привнести неточность. Точность описания молекулярной поверхности известна и постоянна. Если вы видите белок на поверхности или липид в мембране, то будьте уверены, что мы точно знаем его пространственную структуру».

Конечный результат моделирования — это так называемая 3D-сцена, или несколько гигабайтов файлов. Это сцена с математическим описанием всех элементов вируса в виде полигонов — элементарных единиц поверхности. Всего лишь один липид в поверхностной мембране вируса (на рисунке одна тонкая серая черточка) содержит до 20 тысяч полигонов! Такая детализация, принятая в компании, необходима, чтобы показать атомную структуру этой модели.

На небольшой иллюстрации ВИЧ мы, разумеется, не можем рассмотреть каждый атом, эти детали слишком малы. «В большинство случаев мы не показываем атомную структуру, чтобы не зашумлять изображение, да и для многих целей это просто не нужно, — поясняет И.Н.Константинов. — Но такая модель позволяет получить изображение ВИЧ размером 50 тысяч пикселей на 50 тысяч пикселей, достаточным для печати иллюстрации площадью 25 квадратных метров с качеством обложки глянцевого журнала. И вот тогда мы увидим все, что там есть, вплоть до каждого атома». Ни один современный метод исследования не позволяет рассмотреть вирион, включая его внутреннее устройство, с такой степенью детализации.

Вообще, нет предела совершенствованию модели любого вируса. Наши знания неполны, и новые данные о фрагментах вирусов появляются каждый год, поэтому в готовую модель приходится вносить небольшие изменения.

И.Н.Константинова часто спрашивают: неужели ВИЧ или Эбола такие же красивые и яркие, как показано на картинках, и окрашены в такие же цвета? Нет, конечно, эти вирионы вряд ли вообще окрашены, поскольку не содержат хроматофоров. Но цвета, которые использованы в моделях, имеют смысл. «Оттенками серого во всех моделях "Парка вирусов" мы обозначаем компоненты, которые вирус захватывает из клетки хозяина, то есть не кодируются его геномом, — поясняет И.Н.Константинов. — На модели ВИЧ видно, что это — липиды поверхностной мембраны, некоторые белки внутри вируса, некоторые — на его поверхности, такие, как HLA-DR1, ICAM-1 или CD55. Компоненты, которые кодируются геномом вируса, окрашены оттенками цвета, принятого для этого вируса. Для ВИЧ — оттенки оранжевого, для Эбола — розового. У каждого вируса собственная цветовая гамма».

Модели этих смертоносных вирусов поразительно красивы. Видно, что дизайнеры компании не жалеют времени на работу с цветом, а при необходимости консультируются с художниками и скульпторами (в прошлом химиками и биологами), дизайнерами, то есть с людьми, обладающими тонким художественным вкусом. И делают это совершенно осознанно. Сегодня научной и образовательной графике очень трудно конкурировать с яркой рекламой, блокбастерами и компьютерными играми, которые создают лучшие специалисты в области визуальных эффектов. Молодым людям сложно сделать выбор в пользу чего-то невзрачного, хотя и интересного, когда со всех сторон ему предлагают яркое. Компании «Visual Science» удается совмещать грамотное, достоверное содержание с современными средствами подачи. Вот почему эти модели буквально завораживают, их хочется рассматривать.

«Если на каком-то начальном этапе молодым людям, школьникам и студентам, показать, как наука интересна и красива, то можно зажечь в них внутренний огонь, пробудить интерес к предмету, — рассказывает И.Н.Константинов. — На основе таких моделей мы можем делать не только научные иллюстрации для статей и учебников или плакаты с высоким разрешением. Мы создаем анимационные ролики, интерактивные образовательные веб-плагины, приложения для мобильных платформ iOS и Android. Тут огромный простор для фантазии. На мой взгляд, образовательное и просветительское значение таких моделей чрезвычайно велико».

Трудно с этим не согласиться. Хотя есть преподаватели, которые считают, что к иллюстрациям нужно относиться аккуратно и лучше особо на них не полагаться. Скорее всего, причина такого осторожного отношения — это опыт работы с иллюстрациями, созданными дизайнерами, которые не имеют профильного образования. Биохимия и молекулярная биология — это очень сложные области. Неспециалистам трудно в них разобраться, поэтому они не могут грамотно, достоверно и понятно изобразить, а значит — объяснить то или иное явление или объект».

Встречается и другая точка зрения. Ученый должен уметь проникать внутренним взглядом в суть вещей, привлекая на помощь все свое воображение. А модели, предлагаемые на стадии обучения, могут его ограничить, запомниться как непогрешимый образ. «Мысль изреченная есть ложь». Но именно граничные условия, которые возникают при создании моделей, как ни странно, оказывают бесценную услугу науке.

Представьте, что вы собрали огромный пазл, в котором не хватает нескольких деталей. Вместо них в собранной картинке зияют пустоты. Но по форме этого пустого места вы точно можете сказать, какой должна быть конфигурация недостающего фрагмента. Нечто похожее происходит и при моделировании вирусной частицы. Команда И.Н.Константинова часто сталкивается с неполными данными и белыми пятнами. По поводу структуры того или иного белого пятна есть несколько противоречивых гипотез, обсуждаемых в научном сообществе. Какая из них наиболее близка к истине? «Часто обсуждение с внешними экспертами не дает ответа на этот вопрос, они не могут выбрать предпочтительный вариант, ссылаясь на нехватку данных, — рассказывает И.Н.Константинов. — Но мы не можем не показать эти участки в нашей модели. И здесь на помощь приходит сам процесс моделирования. Когда с высокой точностью смоделированы все известные фрагменты вируса, возникают некоторые сдерживающие, ограничивающие условия, которые помогают в выборе более вероятной гипотезы для структуры неизвестных участков».

Богатое воображение и образное мышление необходимы исследователю. Для многих не составляет труда увидеть плоскую картинку в объеме или по описанию представить любой объект. Однако чтобы мысленно воссоздать образ вируса со всеми его деталями, нужно провернуть в голове огромный массив информации, который трудно собрать воедино. И не всегда исследователи и студенты способны выполнить такую работу мысленно.

Нет, от таких моделей, безусловно, есть польза. Хорошая иллюстрация помогает структурировать знания, воспринимать сложную пространственную информацию.

А сколько радости могут доставить эти модели обычным людям, чьи профессии далеки от науки! Ведь они показывают, как удивительно красиво и сложно устроен наш мир даже в самых мельчайших его деталях. Показывают, какой путь пришлось пройти науке, чтобы понять, как устроена вирусная частица, ее оболочка, какие молекулы находятся внутри и на ее поверхности, какова внутренняя структура.

Пять лет назад наш мир пополнился симпатичной и полезной деталью — студией «Visual Science», которая создает предельно точные и научно обоснованные модели других важнейших деталей мира — молекул, вирусов, анатомических структур, химических процессов, технологий, всего, что неразрывно связано с современной наукой и технологиями. Сегодня у компании отличная репутация, деятельность ее разрастается, работы очень много. Но у сотрудников по-прежнему в глазах светится азарт, потому что каждый день они занимаются тем, о чем мечтали. Один из самых любимых и красивых проектов «Парк вирусов» еще не завершен. Пока в нем немного обитателей. Но в ближайшие два года здесь пропишутся не менее десятка самых важных и распространенных вирусов человека. Будут созданы их модели с беспрецедентным уровнем детализации и точности. Он займут достойное место в научных журналах, учебниках и справочниках и обязательно вдохновят молодых людей на занятия наукой, на карьеру исследователя. От популяризации науки столь высокого уровня общество только выиграет.

Вирус иммунодефицита человека


Перед вами - самая точная и детализированная 3D-модель ВИЧ из когда-либо созданных. Она выполнена в студии «Visual Science». Модель создана на основе результатов более сотни научных публикаций ведущих специалистов в области вирусологии, рентгеноструктурного анализа и ЯМР-спектроскопии.

За тридцать лет, прошедшие со времени открытия ВИЧ, его довольно хорошо изучили. ВИЧ заражает преимущественно клетки иммунной системы человека и выводит их из строя. В результате в организме развивается синдром приобретенного иммунодефицита (СПИД). Наиболее распространена разновидность вируса HIV-1 с размерами от 100 до 180 нм. Она окружена мембраной, в которой заякорены поверхностные белковые комплексы. Часть этих комплексов кодируется геномом самого вируса, а часть, как и сама мембрана, захватывается из клетки хозяина. Мембранные белки позволяют вирусной частице взаимодействовать с рецепторами на поверхности клеток-мишеней. После распознавания частица и клетка сливаются, а содержимое вириона попадает внутрь цитоплазмы.

Сердце вириона - белковый капсид конической формы (хорошо виден в самом центре изображения). В нем находится РНК - геном вируса и ферменты, обеспечивающие его размножение в клетке. Геном вируса иммунодефицита человека представлен двумя идентичными молекулами РНК, длина каждой из них чуть меньше 10 тысяч нуклеотидов. Всего геном включает 9 генов. Они кодируют 15 различных белков.

Внутри частицы ВИЧ, как и на поверхности его мембраны, находятся не только белки, кодируемые геномом самого вируса, но и белки, захваченные из клетки-хозяина.

После того как ВИЧ проник в клетку, обратная транскриптаза вируса синтезирует ДНК-копию его генома. Эта копия встраивается в клеточный геном, образуя провирус. Затем клеточные ферменты синтезируют на матрице провируса новые молекулы вирусной РНК, а также регуляторные и структурные белки вируса. Образовавшиеся вирусные белки становятся материалом для самосборки и почкования новых вирусных частиц. Они покидают породившую их клетку в поисках нового хозяина.

В модели с удивительной точностью воссозданы пространственные структуры 17 вирусных и клеточных белков, трансмембранные домены и статусы гликозилирования белков оболочки. Для моделирования мембраны вирусной частицы авторы использовали более 160 тысяч молекул липидов восьми видов в соотношениях, характерных для реальной частицы ВИЧ. Модель собрана из более 10 миллиардов полигонов - единиц поверхности вирусной частицы.

Оттенками серого в модели показаны структуры, захваченные вирусом из клетки хозяина, оттенками оранжевого - белки, кодируемые вирусным геномом.

Восьмого сентября 2010 года модель ВИЧ была помещена на обложку специального выпуска журнала «Nature Medicine», подготовленного Всемирным центром по разработке вакцин от ВИЧ. Изображение ВИЧ признано лучшей научной иллюстрацией в мире за 2010 год по версии журнала «Science» и Национального научного фонда США.


Липосома






Эту модель липосомы студия «Visual Science» создала по заказу корпорации «РОСНАНО», которая планирует в 2013-2014 году начать производство противораковых препаратов на основе липосом, иммунолипосом и моноклональных антител на заводе «Медсинтез» в Новоуральске. Лекарство с новой форой доставки разработали в Российском онкологическом научном центре им. Н.Н.Блохина РАМН.

Липосомы (что по-гречески означает «жирное тело») впервые наблюдал известный британский гематолог Алек Бенгэм в 1961 г. (правда, результаты были опубликованы лишь в 1964-м). Как часто бывает, произошло это случайно, когда Бенгэм с коллегами тестировал новый электронный микроскоп, купленный его институтом. Исследователи использовали классическую методику тестирования, добавляя контрастные вещества в разные препараты. При добавлении контраста к фосфолипидам ученые увидели образование двойного липидного слоя и липосом. Спустя десять лет, в 1971 году, профессор Грегори Георгиадис вместе с Брендой Риман впервые использовали липосому как средство доставки лекарств и вакцины.

Липосомальные препараты представляют собой пузырьки размером порядка 100 нанометров. Их получают, обрабатывая ультразвуком фосфолипиды в водной среде. Их внешняя оболочка состоит из одного или нескольких слоев фосфолипидов и сходна с природной мембраной клеток, а внутри содержатся лекарственное вещество (химиотерапевтические препараты доксорубицина, лизомустина, цифелина, аранозы, бактериохлорина) и вода. Впрочем, липосомы можно нагружать самыми разными лекарственными веществами, и не обязательно растворимыми в воде. Гидрофобное вещество может быть заключено в липидной оболочке липосомы.

Липосомы пассивно доставляют лекарство по адресу. Они выходят из кровяного русла в ткани там, где проницаемость сосудов повышена, то есть в растущих злокачественных опухолях. Иммунолипосомы сочетают пассивную адресную доставку с активной. На их поверхности закреплены антитела, способные распознавать специфические для опухоли молекулярные метки (опухоль-ассоциированные антигены).

Надо ли говорить о преимуществе лекарств в липосомальной форме? Они приносят токсичное вещество в клетки опухоли, тем самым снижая токсическую нагрузку на нормальные органы и ткани. Поскольку доставка препарата происходит точно по адресу и его биодоступность высока, то дозы ядовитого лекарства могут быть снижены. А кроме того, они протаскивают в больные клетки лекарственные вещества, которые без липосом в них попасть не могут.


Вирус Эбола



Наиболее точная и подробная трехмерная модель вируса Эбола (справа) также создана в студии «Visual Science». В ее основу легли данные о морфологии вируса, опубликованные за последние 20 лет в ведущих научных журналах. Для воссоздания структур белков и белковых комплексов авторы использовали опубликованные результата рентгеноструктурного анализа, криоэлектронной микроскопии, а также результаты молекулярного моделирования.

Эбола - один из наиболее крупных вирусов человека, его длина около 1400 нм, ширина - 80 нм. Вирус Эбола, как и вирус Марбурга (представители семейства филовирусов) возбуждают у человека острую геморрагическую лихорадку. Это заболевание приводит к смерти в 50-90% случаев в зависимости от штамма вируса. Эбола поражает преимущественно клетки эндотелия сосудов, а также некоторые клетки иммунной системы и печени. Симптомы заболевания - жар, головная боль, кровотечение слизистых, боль в мышцах, кашель, обезвоживание. Вирус обнаружили в 1976 году. С тех пор зафиксировано несколько довольно крупных эпидемий в Заире, Судане, Конго и Уганде. Количество инфицированных и умерших исчислялось сотнями. Известны несколько случаев заражений с летальными исходами, случившихся во время лабораторных исследований вируса.

Эбола, как и многие другие вирусы человека, имеет мембранную оболочку, формирующуюся из мембраны зараженной клетки. При почковании частица захватывает также часть мембранных белков клетки (например, компоненты главного комплекса гистосовместимости или поверхностные рецепторы), которые остаются в вирусной оболочке и могут влиять на инфекционные способности частицы.

Под мембраной вируса расположен главным образом белковый матрикс, имеющий, вероятнее всего, спиральную структуру. В самом центре вириона находится нуклеокапсид. Это также спиральная структура образована в основном крупным белком NP. Диаметр спирали около 50 нм, при этом внутри различим канал диаметром около 20 нм. Геном Эбола представлен одноцепочечной РНК, он содержит 7 генов и имеет длину чуть меньше 19 тысяч нуклеотидов.

Внутри вириона Эбола находятся РНК-зависимая РНК полимераза и минорные белки. Полимераза отвечает за синтез РНК вируса. Это самый крупный белок, кодируемый вирусным геномом. А минорные белки работают транскрипционными факторами и антагонистами интерферонового ответа.

В пространство внутри вириона в результате почкования попадают еще и клеточные белки, среди которых представлены в основном компоненты цитоскелета. Количество цитоплазмы, захватываемое вирусом, может меняться.

Модель вируса Эбола содержит точные структуры 11 различных белков, 18900 нуклеотидов геномной РНК и более 2,5 миллионов различных молекул липидов. Оттенками серого в модели показаны белки, захваченные вирусом из клетки хозяина, оттенками розового и фиолетового — белки, кодируемые вирусным геномом.

В 2012 году модель вируса Эбола стала призером международного конкурса научной графики, который проводит журнал «Science» и Национальный научный фонд США.

http://www.hij.ru/read/issues/2013/january/1937/
«Трагедия начнётся не тогда, когда некому будет написать статью в Nature, а когда некому будет прочитать статью в Nature»

 /Михаил Гельфанд/

Оффлайн Tortilla

  • Редакция
  • Hero Member
  • *****
  • Сообщений: 10602
Re: Детали мира - Парк вирусов
« Ответ #1 : Пятница 25 Сентября 2015 17:41:09 »
Продолжение

Обитатели Парка вирусов

Вирус гриппа: научно достоверная 3D-модель


Первая научно достоверная 3D-модель вируса гриппа человека в атомном разрешении — возможность получить наиболее полное на сегодняшний день представление о строении возбудителя всем знакомого заболевания

Первая в мире полная достоверная модель вируса гриппа A/H1N1 с атомным разрешением, созданная в рамках проекта компании Visual Science — «Зоопарк вирусов» (Viral Park) при участии Национального центра биотехнологии в Мадриде.
Цель проекта — построение научно достоверных 3D-моделей распространённых вирусов человека с максимальной детализацией. Сложность задачи заключается в том, что ни один из научных подходов, применяемый по отдельности, не позволяет получить изображение целой вирусной частицы с разрешением до атомов или хотя бы молекул. Современные методы дают информацию о строении крошечных, зачастую неполных фрагментов или очень грубые изображения целой частицы. Специалисты Visual Science собирают воедино данные огромного количества работ по молекулярной биологии, вирусологии и кристаллографии вирусов, мнения экспертов ведущих научных центров мира и результаты молекулярного моделирования, полученные научным отделом компании.

Вирус гриппа — это широко распространенный, легко передающийся и быстро эволюционирующий возбудитель заболевания. Симптомы гриппа могут напоминать признаки обычной простуды, однако болезнь чревата осложнениями, которые особенно опасны для маленьких детей, пожилых людей и тех, кто страдает хроническими заболеваниями. Новые штаммы гриппа возникают ежегодно. Штаммы — это разновидности вируса, отличающиеся друг от друга двумя поверхностными белками, которые быстро накапливают изменения и тем самым увеличивают их разнообразие. В случае одновременного заражения организма разными штаммами белки могут попадать в формирующиеся в этом процессе новые частицы в произвольных сочетаниях, что вновь ведет к росту разнообразия вирусов. Это, в свою очередь, вызывает дополнительные проблемы с лечением инфекции и увеличивает риск межвидового заражения.

Грипп встречается не только у людей, но и среди животных. Циркулируя в их популяциях, вирус нередко приобретает наиболее неприятные для человека свойства.

История эпидемий гриппа


В прошлом веке случились три серьезные пандемии гриппа — то есть эпидемии, характеризующиеся глобальным распространением инфекции. Первая из них происходила в 1918-1920 годы и была связана с так называемым испанским гриппом (он же «испанка»). В тот момент учёные и врачи не знали, что именно вызывает это заболевание: первые вирусы были выделены в лаборатории лишь спустя 15 лет (детальному изучению возбудителя помешала и Первая мировая война, на конец которой пришлась пандемия). «Испанка» привела к гибели нескольких десятков миллионов человек по всему миру. Две более поздние эпидемии — азиатский грипп 1957-1958 годов и гонконгский грипп 1968-1969 годов — унесли около 2,5 млн жизней.

Успехи в разработке противовирусных препаратов и профилактических мер, а также активный мониторинг распространения и возникновения новых штаммов гриппа позволяют сокращать число жертв и интенсивность эпидемий. Однако и сейчас в результате вызываемых им осложнений погибает от 250 до 500 тысяч человек в год.

Международный проект компании Visual Science «Зоопарк вирусов» — первая успешная попытка создать модели наиболее распространенных и опасных вирусов человека с разрешением до атомов

Задача построения научно достоверной 3D-модели вируса не так тривиальна, как кажется на первый взгляд. Ни один из имеющихся на сегодняшний день научных подходов, будучи применён по отдельности, не позволяет получить изображение целой вирусной частицы в атомном или даже молекулярном разрешении.

На молекулярном уровне вирусы представляют собой структуры огромного размера: один вирус — это комплекс сотен макромолекул (белков, нуклеиновых кислот, в ряде случаев липидов). Несмотря на это, вирусы слишком малы для того, чтобы их можно было досконально изучить, используя электронную и тем более оптическую микроскопию: эти инструментальные методы хорошо подходят для исследования строения существенно более крупных биологических объектов, например клеток. В частности, электронная микроскопия даёт возможность получить грубые изображения, на которых видны лишь контуры вириона (этот метод не всегда позволяет увидеть даже крупные поверхностные белки).

Для изучения отдельных белков широко используются методы рентгеноструктурной кристаллографии и ядерного магнитного резонанса. Полученные с их помощью данные представляют собой пространственные координаты атомов, входящих в состав молекулы, в наиболее энергетически выгодном положении из возможных. В контексте задачи визуализации структуры вириона недостатки этого метода связаны с невозможностью исследования с его помощью более массивных объектов (он неприменим даже к небольшим комплексам нескольких белков) и трудностью изучения подвижных и связанных с мембранами компонентов вируса.
Таким образом, задача создания научно достоверных 3D-моделей напоминает сборку паззла, где в исходном наборе не хватает значительной части фрагментов, отдельные фрагменты являются неполными, а иллюстрация результата, к которому стремятся собирающие паззл исследователи, груба, и потому даёт только общее представление о конечной картине. Тем не менее, сотни работ разных авторов со всего мира проливают свет на многие вопросы структуры и морфологии компонентов вирионов, а также их взаимодействия. При тщательном анализе всех научных работ, с учетом мнений признанных экспертов из мировых научных центров и помощи специалистов Отдела молекулярного моделирования компании Visual Science, устраняющих пробелы в имеющихся исследованиях по молекулярной биологии, вирусологии и кристаллографии, появляется возможность создать максимально точные и достоверные модели вирусов, которые и представлены в проекте Viral Park.


Компоненты вируса: более 200 тысяч молекул 11 типов

Вирион гриппа имеет форму удлинённой по одной из осей сферы диаметром 80-120 нанометров, что в тысячи раз меньше толщины человеческого волоса. Продолговатую форму вируса определяет слой структурного белка — матрикса. С внешней стороны матрикс окружён мембраной с поверхностными белками (гемагглютинином и нейраминидазой) и ионными каналами. Геном вируса — это восемь молекул РНК в составе спиральных комплексов. Он, как и белки, необходимые для полноценной работы вируса в зараженной клетке, находится внутри частицы.


Гемагглютинин связывается с рецепторами на поверхности клетки, позволяя частице слиться с мембраной клеточной везикулы, проникнуть внутрь нее и доставить геном вируса в цитоплазму.
Нейраминидаза нужна для того, чтобы только что сформированные вирионы могли отделяться от клеточной мембраны и заражать другие клетки.


Белок матрикса — одна из основных структурных молекул вируса. Именно с этим белком связана характерная форма вирусной частицы и расположение в ней внутренних компонентов (что, в свою очередь, детерминирует правильность распаковки и процесса заражения), он же определяет её размеры. Молекулы белка матрикса связываются как с поверхностными белками, так и с нуклеопротеиновыми комплексами вируса, позволяя всем компонентам попадать в частицу.


Белок M2 образует каналы, через которые внутрь частицы проникают ионы водорода после того, как та оказывается в клетке. Это запускает разборку вируса и высвобождение его генома.


Нуклеопротеин упаковывает фрагменты вирусного генома в компактные спирально закрученные комплексы геномной РНК и белка NP — рибонуклеопротеиды (РНП), которые помещаются внутри вирусной частицы.


Белок ядерного экспорта обеспечивает транспорт копий РНК генома из ядра, где они образовались, к месту сборки новых частиц вируса у поверхности зараженной клетки.


Полимеразный комплекс необходим для создания копий РНК вируса, одна часть которых нужна для того, чтобы синтезировать структурные белки, а другая — чтобы упаковываться в новые вирусные частицы. Геном вируса несет информацию, необходимую для синтеза вирусных белков. Он представлен восемью молекулами РНК, отличающимися длиной и набором кодируемых белков.


Мембрана вируса формируется из мембраны клетки, в которой он образовался. В ее состав входят молекулы фосфатидилхолина, фосфатидилэтаноламина, сфингомиелина и холестерина — в характерных для клеток человека пропорциях.


Процесс создания научно достоверных 3Д моделей вирусов


Пространственные структуры некоторого количества белков, входящих в состав вирионов (эта доля варьируется от 25 до 50%), описаны не полностью: проблемы возникают из-за того, что не все белковые молекулы или отдельные их фрагменты возможно кристаллизовать (а это является условием проведения рентгеноструктурного анализа). Обычно в структурах недостаёт подвижных фрагментов молекул, а также трансмембранных участков и гликозильных остатков поверхностных белков. В то же время для комплексов и ансамблей белков в большинстве случаев неизвестно, какие поверхности компонентов формируют контакты друг с другом, а какие — нет. Предсказание и описание таких взаимодействий необходимо при построении любой вирусной частицы (для большей части входящих в неё молекулярных комплексов и структур).
Эти проблемы позволяет решить структурная биоинформатика, основанная на вычислительных методах: в данном подходе используется предсказание пространственной структуры исследуемой молекулы на основе структур схожих или родственных протеинов и исходной последовательности аминокислот, которая в большинстве случаев известна заранее. Кроме того, подобные методы позволяют рассчитать меж- и внутримолекулярные взаимодействия. В компании Visual Science эту задачу решает Отдел молекулярного моделирования и динамики: работающие в нем специалисты — молекулярные биологи и биоинформатики, обладающие научными степенями. Они проводят анализ опубликованных ранее кристаллографических данных (параллельно оценивая точность описания похожих белков), осуществляют моделирование недостающих фрагментов и в результате проводят сборку полных достоверных моделей всех компонентов и комплексов вирусной частицы, комбинируя известные данные с теми, что получены ими в Отделе. Подобный уровень сотрудничества с научным сообществом, а также столь высокая степень вовлечения в этот процесс структурных биологов из числа сотрудников Отдела молекулярного моделирования компании на данный момент недоступны ни одной студии научной и медицинской визуализации в мире — кроме Visual Science.

http://visual-science.com/ru/projects/influenza/illustration
«Трагедия начнётся не тогда, когда некому будет написать статью в Nature, а когда некому будет прочитать статью в Nature»

 /Михаил Гельфанд/

Оффлайн Tortilla

  • Редакция
  • Hero Member
  • *****
  • Сообщений: 10602
Re: Детали мира - Парк вирусов
« Ответ #2 : Пятница 25 Сентября 2015 18:13:21 »
Продолжение. Начало выше.

Вирус иммунодефицита человека




Данная модель вируса иммунодефицита человека объединяет результаты более 100 научных публикаций ведущих специалистов в области вирусологии, рентгеноструктурного анализа и ЯМР-спектроскопии. В ней воссозданы установленные к настоящему времени точные пространственные структуры 17 белков вирусного и клеточного происхождения в различных конформациях (с учетом межбелковых взаимодействий), а также структуры трансмембранных участков ряда белков и их гликозилированных форм.

Для моделирования мембраны вирусной частицы потребовалось более 160 тысяч молекул липидов 8 видов в соотношениях, характерных для реальной частицы ВИЧ.

Вирус иммунодефицита человека (ВИЧ, HIV — Human Immunodeficiency Virus, англ.) относится к роду лентивирусов (Lentivirus) семейства ретровирусов (Retroviridae). ВИЧ заражает преимущественно клетки иммунной системы человека (CD4+ Т-лимфоциты, макрофаги и дендритные клетки). Уменьшение количества CD4+ Т-лимфоцитов приводит к развитию синдрома приобретенного иммунодефицита (СПИД). Существует несколько разновидностей ВИЧ, наиболее распространенной из которых является HIV-1. Размеры вирусной частицы ВИЧ варьируют в пределах от 100 до 180 нм. Она окружена мембраной, в которой заякорены поверхностные белковые комплексы. Часть этих комплексов кодируется геномом самого вируса (как продукты гена Env — белки gp120/gp41), а часть (например белки ICAM-1, HLA-DR1, CD55 и ряд других), как и сама мембрана, захватывается из хозяйской клетки. Мембранные белки ВИЧ позволяют вирусной частице взаимодействовать с рецепторами на поверхности клеток-мишеней. После этого мембраны частицы и клетки сливаются, а содержимое вириона попадает внутрь цитоплазмы.

Вирион содержит белковый капсид конической формы, в котором находится РНК-геном вируса и ферменты, обеспечивающие его размножение в клетке. Внутри частицы ВИЧ, как и на поверхности его мембраны, помимо белков, кодируемых геномом самого вируса, находятся белки, захваченные из клетки-хозяина.

После проникновения внутрь клетки обратная транскриптаза ВИЧ синтезирует ДНК-копию его генома, которая встраивается в клеточный геном, образуя провирус. Впоследствии клеточные ферменты синтезируют на матрице провируса новые молекулы вирусной РНК, а также регуляторные и структурные белки вируса. Образовавшиеся вирусные белки осуществляют сборку и почкование новых вирусных частиц.

Геном вируса иммунодефицита человека представлен двумя идентичными молекулами РНК, каждая из которых имеет длину чуть меньше 10000 нуклеотидов. Всего геном включает 9 генов. Они кодируют 15 различных белков.

За синтез основных белковых продуктов ВИЧ ответственны гены (открытые рамки считывания) Gag, Pol и Env. Рамка Gag кодирует структурные белки. Ее продукты связываются с вирусной мембраной, формируют капсид и упаковывают геномную РНК. Рамка Pol кодирует ферменты, необходимые для размножения вируса и интеграции его генетического материала в геном клетки. Рамка Env отвечает за синтез поверхностных рецепторов, которые позволяют ВИЧ связываться с клетками-мишенями и заражать их. Продукты остальных генов ВИЧ (такие как Tat, Rev, Vif, Vpr, Vpu и Nef) осуществляют некоторые изменения в метаболизме клетки-хозяина, регулируют процессы размножения и сборки вируса, а также подавляют активность клеточных противовирусных систем.











http://visual-science.com/ru/projects/hiv/illustrations/

ВИЧ в разрезе





Модель вируса иммунодефицита человека в разрезе. Эта иллюстрация была создана по заказу Global HIV Vaccine Enterprise для оформления серии публикаций, отражающих ключевые этапы исследования ВИЧ и СПИД за прошедшие 30 лет. Изображение дает наглядное представление об организации внутреннего пространства вируса, соотношении клеточных и вирусных белков и форме нуклеокапсида в зрелой вирусной частице.

3D модель ВИЧ, позволяет делать различные варианты срезов оболочки вируса, матрикса, капсида вплоть до отдельных молекул. Уровень детализации и точность построения всех компонентов модели позволяют получать изображения белков, липидов и нуклеиновых кислот в «контексте» с почти 100 кратным диапазоном увеличения: от целой вирусной частицы до атомного уровня.
http://visual-science.com/ru/projects/hiv/virion-cut-illustration/
«Трагедия начнётся не тогда, когда некому будет написать статью в Nature, а когда некому будет прочитать статью в Nature»

 /Михаил Гельфанд/

 

Rating@Mail.ru
Portal Management Extension PortaMx v0.980 | PortaMx © 2008-2010 by PortaMx corp.
Яндекс.Метрика