Электростатические силы играют ключевую роль во множестве биологических процессов на молекулярном уровне, являясь частью как близкодействующих, так и дальнодействующих взаимодействий. За исключением особой изоэлектрической точки, соответствующей раствору определенной кислотности, белки всегда имеют неравный нулю электрический заряд, который может достигать величины нескольких десятков элементарных зарядов на молекулу. Одной из ключевых особенностей электростатики белков по сравнению с классической электростатикой коллоидов является наличие ионизируемых аминокислотных остатков. Из-за этого присутствие подвижных ионов в окружающем растворе не только экранирует заряды белков, но и напрямую влияет на их величину. Изменение pH раствора приводит к диссоциации ионизируемых остатков, изменяя как общий заряд белка, так и его распределение в пространстве. Сопутствующие изменения электростатических взаимодействий могут оказывать влияние на вторичную, троичную и четвертичную структуры белка.

В работе мы исследуем роль электростатических сил в масштабной перестройке оболочек вирусов Денге и Зика в ходе их созревания. Эти родственные вирусы обладают сложным трёхслойным строением капсида. Его внутреннее белковое ядро окружено липидной мембраной, на которой расположена внешняя оболочка, состоящая из продолговатых структурных белков. Прежде чем сформировавшийся в эндоплазматическом ретикулуме вирус сможет заражать клетки, он должен попасть в кислую среду, где его пористая оболочка с развитой морфологией претерпевает масштабные конформационные изменения, в результате которых белки переупаковываются в более плотную и гладкую структуру.

Мы анализируем структуры вирусов Денге и Зика на различных этапах их жизненного цикла в рамках развиваемой полуколичественной электростатической модели [1,2]. Учитывая существенные размеры системы (~10^7 атомов), мы рассматриваем вирусную оболочку как совокупность точечных зарядов, соответствующих ионизируемым остаткам. Используя изотерму Гендерсона – Хассельбаха, мы определяем частичные заряды аминокислот в белках для различных значений pH, а затем рассчитываем соответствующие энергии электростатического взаимодействия между белками в рамках приближения Дебая – Хюккеля.

Мы показываем, что при уменьшении pH электростатическая энергия начального состояния становится больше энергии конечного зрелого, что и способствует переупаковке белков внешней оболочки. Вклад в активацию перехода могут вносить сразу несколько механизмов. Во-первых, это изменение взаимодействий между белками внешней оболочки, вызванное как изменением общего заряда, так и его перераспределением между частями молекулы. Например, в вирусе Денге c уменьшением pH возрастает положительный заряд pr доменов, расположенных на концах структурных белков внешней оболочки. До конформационных изменений pr домены объединены в тройки, но в результате перестройки практически равномерно распределяются по поверхности вируса, что значительно уменьшает силы отталкивания между ними. Во-вторых, это увеличение притяжения между отрицательно заряженной липидной мембраной вируса и структурными белками внешней оболочки, приобретающими большой положительный заряд в кислой среде, что делает более плотную, зрелую структуру энергетически более выгодной. Наконец, взаимодействие с внутренним ядром, также может способствовать перестройке внешней оболочки.

Исследование и моделирование уникального механизма созревания вирусов Денге и Зика представляет интерес сразу по нескольким причинам. Прежде всего, это разработка новых препаратов, направленных на его нарушение. С другой стороны, полученные знания могут быть использованы при разработке новых кристаллических пористых композитных нанобиоматериалов, состоящих из липидных мембран и связанных с ними белковых комплексов, способных подобно вирусам Денге и Зика к структурной перестройке под действием pH окружающей среды. Такие материалы могут использоваться для адресной доставки лекарств и их пролонгированного выпуска.

Исследование выполнено при поддержке гранта Российского научного фонда (проект № 22-12-00105).

1. S. B. Rochal, O. V. Konevtsova, D. S. Roshal, A. Božič, I. Y. Golushko and R. Podgornik, Nanoscale Adv., 2022, 4, 4677–4688.Nanoscale Adv., 2022,4, 4677-4688

2. O. V. Konevtsova, I. Y. Golushko, R. Podgornik and S. B. Rochal, Biomater. Sci., 2023, 11, 225–234.

Electrostatic forces play a crucial role in many biological processes at the molecular level, being a part of both short-range and long-range interactions. Except for an isoelectric point corresponding to the solution of a certain acidity, proteins always carry a nonzero electric charge, which can reach several tens of elementary charges per molecule. One of the key features of the electrostatics of proteins compared to the classical electrostatics of colloids is the presence of ionizable amino acid residues. Because of this, the presence of mobile ions in the surrounding solution not only screens protein charges, but also directly affects their magnitude. Variation in the pH of the solution leads to the dissociation of ionizable residues, changing both the total protein charge and its distribution in space. Corresponding changes in electrostatic interactions can affect the secondary, ternary, and quaternary structures of the protein.

In this work, we study the role of electrostatic forces in the large-scale reconstruction of the shells of Dengue and Zika viruses during their maturation. These viruses, belonging to the same genus, have a complex three-layer structure of the capsid. Its inner protein core is surrounded by a lipid membrane, which is in turn covered by an outer shell consisting of elongated structural proteins. Dengue and Zika are initially formed in the endoplasmic reticulum at neutral pH. To become able to infect cells, they must enter an acidic environment, where their porous shell with a developed morphology undergoes large-scale conformational changes, repacking proteins into a denser and smoother structure.

We analyze the structures of Dengue and Zika viruses at different stages of their life cycle within the framework of the developed semi-quantitative electrostatic model [1,2]. Given the considerable size of the system (~10^7 atoms), we consider the viral envelope as a set of point charges corresponding to ionizable residues. Using the Henderson-Hasselbalch isotherm, we determine the partial charges of the amino acids in the proteins for different pH values and then calculate the corresponding electrostatic interaction energies between the proteins within the Debye-Hückel approximation.

We show that as pH decreases, the electrostatic energy of the initial state becomes greater than that of the final mature state, which promotes the repackaging of the proteins of the outer shell. Several mechanisms may contribute to the activation of the transition. Firstly, it is a change in the interactions between the outer shell proteins caused both by a change in the total charge and its redistribution between parts of the molecule. For example, in Dengue virus, the positive charge of pr domains located at the ends of the structural proteins increases with decreasing pH. Before the conformational changes, the pr domains are combined in triplets, but after the reconstruction, they are almost evenly distributed across the virus surface, which significantly reduces the repulsive electrostatic forces between them. Second, there is an increased attraction between the negatively charged lipid membrane of the virus and the structural proteins of the outer shell, which acquire a large positive charge in the acidic environment, making the denser, mature structure energetically more favorable. Finally, interaction with the inner nucleus can also contribute to the rearrangement of the outer envelope.

Studying and modelling of the unique maturation mechanism of Dengue and Zika viruses have several important practical applications. First, it is the development of new drugs aimed at its disruption. On the other hand, the obtained results could be used in the development of new crystalline porous composite nanobiomaterials, consisting of lipid membranes and associated protein complexes, and capable, like Dengue and Zika viruses, of structural rearrangement induced by the pH of the surrounding environment. Such materials can be used for targeted drug delivery and their sustained release.

The research was supported by the Russian Science Foundation (project № 22-12-00105)

1. S. B. Rochal, O. V. Konevtsova, D. S. Roshal, A. Božič, I. Y. Golushko and R. Podgornik, Nanoscale Adv., 2022, 4, 4677–4688.Nanoscale Adv., 2022,4, 4677-4688

2. O. V. Konevtsova, I. Y. Golushko, R. Podgornik and S. B. Rochal, Biomater. Sci., 2023, 11, 225–234.