Как вирусы перехитрили природу: новое исследование раскрывает тайну их выживания

Новое исследование ученых из Университета Райса раскрывает, как вирусы выживают, точно определяя момент выпуска новых вирусов. Это открытие дает новую теоретическую основу для понимания динамических биологических явлений.

Исследование, опубликованное в Biophysical Journal, также демонстрирует, как некоторые биологические процессы достигают высокой точности, несмотря на случайный характер их основ.

"Наши результаты проливают свет на ключевые механизмы, важные для всех живых существ, от бактерий до человека," — отметил соавтор исследования профессор Анатолий Коломейский.

Центральной темой исследования был клеточный лизис — процесс, при котором вирусы разрывают бактериальные клетки в точное время, чтобы выпустить новые вирусы. Этот аспект репликации вирусов оставался загадкой для ученых многие годы.

Исследовательская группа предположила, что эта точность достигается благодаря взаимодействию двух случайных процессов: накоплению белков холина, которые кодируются фагами и проникают через мембрану хозяина в определенное время, и разрыву клеточной мембраны.

Исследователи предположили, что случайное сочетание этих биофизических и биохимических процессов приводит к подавлению шума, обеспечивая точную синхронизацию.

Для проверки гипотезы была создана математическая модель для анализа динамики белков холина. Результаты расчетов были сопоставлены с экспериментальными данными нормальных и мутировавших вирусов, что позволило изучить, как эти белки накапливаются и вызывают разрыв клеток.

Анализ показал, что точность достигается путем максимизации количества холинов в мембране при сохранении узкого распределения. Это обеспечивает оптимальный момент для лизиса клеток, несмотря на случайный характер процессов.

"Предыдущие исследования не учитывали взаимодействие между накоплением белка и разрывом клеток, что делает выводы нашей группы особенно важными," — отметил Коломейский.

Теоретические прогнозы были подтверждены экспериментальными наблюдениями за вирусами дикого типа и мутантами. Было установлено, что вирусы дикого типа достигают точного времени лизиса, балансируя вход и выход белков холина в мембране, в то время как мутировавшие вирусы не могут поддерживать этот баланс.

Исследование также подчеркивает, как биологические системы достигают точных результатов через хаотичные процессы, предоставляя более широкое понимание контроля других биологических процессов. Понимание этих механизмов синхронизации может помочь в разработке новых методов борьбы с бактериальными инфекциями.

"Наше исследование подчеркивает сложный баланс, которого может достичь природа, гарантируя, что важные процессы происходят с удивительной точностью, несмотря на случайные факторы," — сказал соавтор исследования Анупам Мондал из Центра теоретической биологической физики (CTBP).

"Работа нашей команды способствует лучшему пониманию механизмов клеточного лизиса, показывая, что точность природы часто возникает из взаимодействия случайности и регуляции," — добавил Мондал.