Специалисты долгое время не находили объяснения способности бактериофагов время от времени самопроизвольно «выключаться». И вправду, механизм этот оказался очень необычным.
Энергия вируса: Солитоны лямбда

Начать придется издалека. Еще в 1970-х советский физик Александр Давыдов предложил интересную теорию, объясняющую изменение конформации (формы) длинных молекулярных цепочек. Составив уравнение, описывающее энергию такой цепочки, он показал, что решение его возможно с использованием функции солитона — одиночной волны, распространяющейся вдоль нее.

Давыдов также выяснил, что если солитон окажется изолирован на определенном участке цепочки, его вибрация заставит цепочку изогнуться в этом участке, изменяя форму всей молекулы. Сегодня концепция эта известна под видом особой квантовой квазичастицы, «солитона Давыдова». Считается, что этот механизм играет существенную роль, скажем, в фолдинге белков — процессе, о котором можно прочесть в заметке «Квантовые белки».

Пригодилась эта концепция и работающим в Швеции Андрею Крохотину и Антти Ниеми (Antti Niemi), которые применили ее к довольно неожиданной проблеме — поведению бактериофагов, вирусов, поражающих бактерии. Напомним, что, закрепившись на клеточной оболочки бактерии, фаг впрыскивает в нее свою ДНК, которая в конце концов забирает контроль над клеточными системами и начинает воспроизводиться в огромном количестве копий. В конце концов клетка гибнет, рассеивая миллионы частиц вируса.

Но не всегда дело обстоит столь зловещим образом. Известны случаи, в которых бактериофаг словно сам себя выключает. Успешно внедрив свой геном в ДНК бактерии, он просто затихает там и ничем себя не проявляет. Он копируется и передается потомству вместе с остальной частью бактериальной хромосомы, но и все. Выражаясь профессиональным языком, вирус переходит из лизогенного состояния к литическому циклу развития. Но как же включается этот переход? Крохотин с Ниеми объясняют его с точки зрения старой теории: по их мнению, начинается он с того, что солитон «запирается» в молекулярной структуре фага.

Как и Давыдов ранее, ученые начали с составления уравнения, описывающего энергию вирусной частицы — точнее говоря, хорошо известного и изученного фага лямбда, поражающего бактерии кишечной палочки. И, как некогда Давыдов, они показали, что решение уравнения может быть получено для случая, в котором энергия молекулярной структуры меняется под действием солитонов — точнее, нескольких солитонов, некоторые из которых противоположно направлены.

Крохотин и Ниеми пришли к выводу, что в случае, когда в структуре вируса оказываются «заперты» такие солитоны, они определяют его пространственную форму. Теперь, если в систему поступает немного энергии извне, пары солитонов и противоположно направленных «антисолитонов» взаимно уничтожают друг друга, что приводит к заметному и резкому изменению формы фага. В новой форме вирус и переходит от лизогенного к литическому циклу.

Хотя внешне работа выполнена исключительно теоретическая, она позволяет сделать ряд предсказаний, вполне проверяемых на практике. Кроме того, она требует от вирусной частицы некоторых структурных особенностей, наличие которые также можно проверить у реальных фагов. Осталось лишь дождаться, когда экспериментаторы за это возьмутся.

По сообщению Physics arXiv Blog