• Поделиться

Мы представляем первую возможность посмотреть на сложные супрамолекулярные структуры, такие как вирусы, в формате анимации в виртуальной реальности. В анимации демонстрируется 3D-модель вируса Зика, созданная в студии Visual Science. Модель выполнена в атомной детализации на основе опубликованных научных данных о строении вирусной частицы и результатов молекулярного моделирования, проведенного структурными биоинформатиками студии.

Для просмотра анимации можно воспользоваться Google Cardboard или очками виртуальной реальности, такими как Samsung Gear VR, Oculus devices, HTC vive. Также анимацию можно посмотреть в формате панорамного видео YouTube без каких-либо дополнительных приспособлений. Убедитесь, что в настройках в правом нижнем углу плеера установлено максимальное качество просмотра 2160s 4K.

Анимация описывает строение вируса Зика и демонстрирует как целый вирион и частицу, в которой удалена часть оболочки, так и отдельные белки, липиды и фрагмент РНК вируса. Виртуальная реальность дает зрителю уникальную возможность оказаться внутри микромира и увидеть супрамолекулярные структуры в атомной детализации в движении.

Данная анимация является частью нашего проекта «Зоопарк вирусов», в рамках которого создаются максимально достоверные с научной точки зрения 3D-модели наиболее опасных и распространенных вирусов человека. Среди проектов уже есть модели ВИЧ, вируса Эбола, гриппа и других.

О вирусе Зика

Лихорадка Зика известна с 1947 года, когда она была впервые обнаружена у макак резус в Уганде [1]. Спустя пять лет случаи заболевания были зарегистрированы у людей в Уганде и Танзании, а в дальнейшем эпидемии лихорадки Зика случались не только в Африке, но и в Азии. Вирус Зика привлек к себе повышенное внимание весной 2015 года, когда вспышка началась в Бразилии, а затем перекинулась на другие страны Южной Америки, с единичными случаями в США и Европе. Оказалось, что в районах эпидемии существенно увеличивается вероятность рождения детей с микроцефалией, а также учащаются случаи проявления синдрома Гийена — Барре. У большинства матерей, младенцы которых умирали от микроцефалии в течение 20 часов с момента рождения, были симптомы лихорадки на первом или втором триместре беременности
1 февраля 2016 Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) объявила лихорадку Зика международной угрозой общественному здоровью. В настоящее время не существует вакцин или препаратов от этого вируса, а случаи заражения с начала января 2014 зарегистрированы в 33 странах [2 — 4].

Эпидемия вируса, сопутствующие заболевания и лечение

Вирус Зика относится к тому же семейству флавивирусов, что и вирус гепатита С, вирус Денге, вирус желтой лихорадки, вирус Западного Нила и вирус Чикунгунья. От желтой лихорадки и лихорадки Денге суммарно в год погибает около 50 тысяч человек, а количество зараженных достигает сотен тысяч и даже сотен миллионов соответственно [5; 6]. Вирус Зика не вызывает такой смертности, однако число заразившихся в ходе текущей эпидемии уже превысило полтора миллиона [4]. Симптомы лихорадки Зика напоминают симптомы Денге и Чикунгунья: жар, высыпания на коже, боль в мышцах, головная боль, коньюнктивит [7]. Симптомы длятся от двух до семи дней, однако в большинстве случаев не проявляются вовсе.

Связь между заражением вирусом Зика и возникновением микроцефалии (недоразвития тканей головы) у новорожденных в настоящее время полностью не доказана, однако масса косвенных свидетельств указывает на ее наличие. До второй половины 2015 года в северной Бразилии доля новорожденных с микроцефалией не превышала 1-2 случая на 10000 рождений, тогда как в настоящее время в районах распространения лихорадки эта цифра увеличилась в 10 раз [3]. В отдельных случаях микроцефалии у плода в головном мозге были обнаружены вирионы Зика [8]. Конкретные механизмы воздействия вируса на эмбриональное развитие на данный момент неизвестны.

На данный момент, несмотря на участившиеся случаи в районах эпидемии Зика, также напрямую не доказана связь лихорадки с возникновением синдрома Гийена — Барре — аутоиммунного заболевания, при котором клетки иммунной системы начинают повреждать нервные клетки собственного организма, вызывая слабость в мышцах и параличи. Синдром Гийена — Барре обычно полностью проходит в течение нескольких недель или двух-трех месяцев [9].

Тропические лихорадки часто встречаются в тех зонах Африки, Азии и Америки, в которых распространены переносчики заболеваний — преимущественно комары рода Aedes. Считается, что вирус Зика мог попасть из Африки и Азии в Южную Америку через острова Микронезии и Французской Полинезии, где была вспышка этого заболевания в 2013 году, а в ходе Чемпионата мира по футболу 2014 года распространиться в принимавшей его Бразилии [10]. Распространенность вируса Зика и подобных, переносимых москитами, лихорадок может увеличиться в связи с глобальным изменением климата и расширением ареала обитания переносчиков [11 — 13]. Нельзя не учитывать, что вирус Зика, возможно, способен передаваться от человека к человеку через сексуальный контакт, однако этот способ заражения крайне редок, а основными переносчиками все же являются комары [14].

По наиболее оптимистичным оценкам, первая вакцина от вируса Зика может появиться только в конце 2016 года [15].

Строение вируса

Вирион флавивирусов имеет диаметр порядка 50 нм, что примерно в два с половиной раза меньше диаметра частиц ВИЧ или гриппа. В состав вирусных частиц входит три типа белков. Поверхностные белки Е и М формируют регулярную сферическую оболочку вирусной частицы, а при заражении позволяют вирусу связаться с рецепторами на поверхности клетки и проникнуть внутрь. Отдельные участки поверхностных белков погружены в липидную мембрану, которую почкующийся вирус захватывает из эндоплазматического ретикулума клетки, в которой формируется. К белку Е, играющему основную роль в проникновении вируса в клетку, присоединены молекулы олигосахаридов (в модели показаны темно-серым на поверхности вируса) [16].

В центре вирусной частицы располагается одноцепочечная геномная РНК, связанная с капсидными белками С. Считается, что у флавивирусов капсид не образует регулярных структур [17; 18]. При этом РНК скорее концентрируется вокруг димеров С-белка [19]. Попадая в клетку, РНК может сразу становиться матрицей для синтеза белков вируса (имеет положительную полярность). Помимо трех структурных белков С, Е и М, геном флавивирусов кодирует семь белков, не входящих в состав вириона. Их задача — координировать репликацию вируса внутри клетки и ингибировать иммунный ответ [20]. В модели вируса Зика все белки, кодируемые геномом вируса, показаны оттенками синего и зеленого, а компоненты, захватываемые из зараженной клетки, показаны серым.

У человека вирусы Зика в первую очередь заражают дендритные клетки, а затем кровотоком разносятся в другие ткани [21]. Вирус способен проникать в клетки кожи (кератиноциты эпидермиса, дермальные фибробласты). Клеточный рецептор, с которым связывается вирион Зика, окончательно не определен, однако среди пары десятков кандидатов исследователи выделяют поверхностный белок AXL [22]. В ходе репликации флавивирусов сначала создаются копии геномной РНК негативной полярности, а на их основе синтезируются плюс-РНК. Процесс репликации происходит в эндоплазматическом ретикулуме и сопряжен с синтезом вирусных белков и сборкой вирионов. Собранные вирусные частицы попадают в комплекс Гольджи, а затем покидают клетку [20].

В настоящее время данных о структуре вируса Зика крайне мало, поэтому модель вириона создавалась на основе опубликованной информации о строении родственных вирусов желтой лихорадки, Западного Нила и Денге. Для создании модели Зика ученые из отдела научного моделирования студии Visual Science использовали методы структурной биоинофрматики, которые широко применяются не только в исследованиях вирусов, но и в изучении клеточных белков и белковых комплексов, разработке лекарств и определении механизмов межмолекулярных взаимодействий.

Модель вируса Зика является частью некоммерческого проекта Зоопарк вирусов компании Visual Science, начатого в 2009 году и включающего модели вирусов иммунодефицита, гриппа A H1N1, лихорадки Эбола, папилломы, аденовируса. Модели и визуализации из Зоопарка вирусов отмечены премиями журнала Science и фонда National Science Foundation, публиковались на обложке приложения к журналу Nature Medicine, в NY Times, авторитетном учебнике Vaccines, галерее журнала Cell, и входили в презентации нобелевских лауреатов. Модели вирусов имеют атомную детализацию и построены на основе опубликованных научных данных и применения методов структурной биоинформатики. Модели суммируют известную информацию о строении наиболее опасных и распространенных вирусов человека и являются своего рода визуальными научными обзорами.

  • Автор идеи, руководитель проекта, 3D-визуализатор, 3D-технолог:
    Иван Константинов
  • Научный консультант, автор текстов, ассистент 3D-моделлера, аниматор:
    Юрий Стефанов, к.б.н.
  • Ведущий молекулярный моделлер:
    Анастасия Бакулина, к.б.н., Новосибирский государственный университет
  • Молекулярный моделлер:
    Дмитрий Щербинин, к.б.н.
  • 3D-моделлер:
    Александр Ковалевский
  • Веб-технологи:
    Кирилл Гришанин, Глеб Кондратенко
  • Консультант по анимации:
    Сергей Иванчук
  • Корректор:
    Анна Вознесенская
Based on our experience, we highly recommend Visual Science as a reliable, trustworthy partner with excellent scientific, artistic and organizational expertise
Alan Bernstein, OC, PhD, FRSC, Executive Director at Global HIV Vaccine Enterprise (US)