Вуглецеві нанотрубки перешкоджають чи сприяють формуванню амілоїдних фібрил?

Ключові слова: амілоїдні фібрили, лізоцим, вуглецеві нанотрубки, β-шари

Анотація

Актуальність. Вуглецеві нанотрубки, завдяки своїм унікальним фізичним властивостям, знайшли широке застосування в матеріалознавстві та електроніці, однак численні спроби створення систем доставки ліків чи комплексів терапевтичних препаратів з нанотрубками з метою покращення ефективності та специфічності їх дії не призвела до успіху. В першу чергу це пов’язано з високою цитотоксичністю нанотрубок для живих клітин та відсутністю механізмів їх біодеградації. З іншого боку, вуглецеві нанотрубки можуть утворювати стійкі комплексами з такими біологічно важливими молекулами як ДНК, фосфоліпіди, білки. В даній роботі показана можливість формування амілоїдних фібрилярних структур в лізоцимі при взаємодії з вуглецевими нанотрубками. Отримані результати мають як фундаментальне, так і прикладне значення, оскільки це може бути методом отримання модельних амілоїдних фібрил для подальшого вивчення.

Мета роботи. Метою роботи було дослідити вплив вуглецевих нанотрубок на процес утворення фібрилярних структур в лізоцимі при кімнатній температурі при різних значеннях рН.

Матеріали і методи. Для приготування експериментальних зразків був використаний лізоцим, виділений з білка курячих яєць (HEWL – Hen Egg-White Lysozyme, Fluka), а також одностінні (SWCNT, Sigma-Aldrich) та багатостінні (MWCNT, OOO TM «Спецмаш», Київ, Україна) вуглецеві нанотрубки. Використані методики: ІЧ-Фур’є-спектроскопія поглинання; конфокальна мікроскопія.

Результати. В даній роботі проведено дослідження молекулярних механізмів взаємодії лізоциму з вуглецевими нанотрубками методом коливальної спектроскопії та проведено конформаційний аналіз утворених комплексів. Показано, що вуглецеві нанотрубки можуть впливати на просторову структуру лізоциму навіть при кімнатній температурі та нормальних значеннях рН, про що свідчать конформаційні зміни в лізоцимі внаслідок взаємодії з вуглецевими нанотрубками. Комплекси, утворені внаслідок такої взаємодії, мають характерні риси амілоїдних фібрилярних структур, що розкриває один з механізмів цитотоксичності вуглецевих нанотрубок. З іншого боку, така методика може бути впроваджена для отримання модельних амілоїдних фібрил з метою їх подальшого вивчення.

Висновки. Методом коливальної спектроскопії показано, що вуглецеві нанотрубки можуть впливати на просторову структуру лізоциму, про що свідчить конформаційний аналіз смуги поглинання Амід І. Після взаємодії лізоциму з ВНТ, відбувається збільшення вкладу антипаралельної β-конформації в структурі лізоциму, та зменшення вкладу a-спіральної конформації, що є характерними рисами при формуванні фібрилярних структур. Показана можливість утворення амілоїдних фібрилярних структур без застосування високих температур при різних значеннях рН при взаємодії лізоциму з вуглецевими нанотрубками, що може мати прикладне застосування в якості методу отримання модельних амілоїдних фібрил.

Завантаження

Дані завантаження ще не доступні.

Біографії авторів

M. V. Olenchuk, Інститут фізики НАН України

проспект Науки 46, Київ, 03028, Україна

O. P. Gnatyuk, Інститут фізики НАН України

проспект Науки 46, Київ, 03028, Україна

G. I. Dovbeshko, Інститут фізики НАН України

проспект Науки 46, Київ, 03028, Україна

I. O. Polovyi, Інститут Фізики НАН України

проспект Науки 46, Київ, 03028, Україна

S. О. Karakhim, Інститут біохімії ім. О.В. Палладіна

вул. Леонтовича, 9, Київ, 01601, Україна

Посилання

Annamalai, K., Gührs, K.-H., Koehler, R., Schmidt, M., Michel, H., Loos, C., Fändrich, M. (2016). Polymorphism of Amyloid Fibrils In Vivo. AngewandteChemie International Edition, 55(15), 4822-4825.

Li, H., Luo, Y., Derreumaux, P., & Wei, G. (2011). Carbon Nanotube Inhibits the Formation of β-Sheet-Rich Oligomers of the Alzheimer’s Amyloid-β(16-22) Peptide. Biophysical Journal, 101(9), 2267–2276. https://doi.org/10.1016/j.bpj.2011.09.046

Close, W., Neumann, M., Schmidt, A., Hora, M., Annamalai, K., Schmidt, M., …Fändrich, M. (2018). Physical basis of amyloid fibril polymorphism. Nature Communications, 9(1). https://doi.org/10.1038/s41467-018-03164-5

Schmidt, A., Annamalai, K., Schmidt, M., Grigorieff, N., &Fändrich, M. (2016). Cryo-EM reveals the steric zipper structure of a light chain-derived amyloid fibril. Proceedings of the National Academy of Sciences, 113(22), 6200–6205. https://doi.org/10.1073/pnas.1522282113

Liberta, F., Loerch, S., Rennegarbe, M., Schierhorn, A., Westermark, P., Westermark, G. T., …Schmidt, M. (2018). Cryo-EM structure of an amyloid fibril from systemic amyloidosis. Cold Spring Harbor Laboratory. https://doi.org/10.1101/357129

Knubovets, T., Osterhout, J. J., Connolly, P. J., &Klibanov, A. M. (1999). Structure, thermostability, and conformational flexibility of hen egg-white lysozyme dissolved in glycerol. Proceedings of the National Academy of Sciences, 96(4), 1262–1267. https://doi.org/10.1073/pnas.96.4.1262

Zou, Y., Hao, W., Li, H., Gao, Y., Sun, Y., & Ma, G. (2014). New Insight into Amyloid Fibril Formation of Hen Egg White Lysozyme Using a Two-Step Temperature-Dependent FTIR Approach. The Journal of Physical Chemistry B, 118(33), 9834–9843. https://doi.org/10.1021/jp504201k

Riek, R., & Eisenberg, D. S. (2016). The activities of amyloids from a structural perspective. Nature, 539(7628), 227–235. https://doi.org/10.1038/nature20416

Sipe, J. D., Benson, M. D., Buxbaum, J. N., Ikeda, S., Merlini, G., Saraiva, M. J. M., &Westermark, P. (2016). Amyloid fibril proteins and amyloidosis: chemical identification and clinical classification International Society of Amyloidosis 2016 Nomenclature Guidelines. Amyloid, 23(4), 209–213. https://doi.org/10.1080/13506129.2016.1257986

Annamalai, K., Liberta, F., Vielberg, M.-T., Close, W., Lilie, H., Gührs, K.-H., …Fändrich, M. (2017). Common Fibril Structures Imply Systemically Conserved Protein Misfolding Pathways In Vivo. Angewandte Chemie International Edition, 56(26), 7510–7514. https://doi.org/10.1002/anie.201701761

Yuan, S., Deng, Q., Fang, G., Wu, J., Li, W., & Wang, S. (2014). Protein imprinted ionic liquid polymer on the surface of multiwall carbon nanotubes with high binding capacity for lysozyme. Journal of Chromatography B, 960, 239–246. https://doi.org/10.1016/j.jchromb.2014.04.021

Gao, R., Zhang, L., Hao, Y., Cui, X., Liu, D., Zhang, M., & Tang, Y. (2015). Novel polydopamine imprinting layers coated magnetic carbon nanotubes for specific separation of lysozyme from egg white. Talanta, 144, 1125–1132. https://doi.org/10.1016/j.talanta.2015.07.090

Horn, D. W., Tracy, K., Easley, C. J., & Davis, V. A. (2012). Lysozyme Dispersed Single-Walled Carbon Nanotubes: Interaction and Activity. The Journal of Physical Chemistry C, 116(18), 10341–10348. https://doi.org/10.1021/jp300242a

Vaitheeswaran, S., & Garcia, A. E. (2011). Protein stability at a carbon nanotube interface. The Journal of Chemical Physics, 134(12), 125101.https://doi.org/10.1063/1.3558776

Dovbeshko, G. I., Chegel, V. I., Gridina, N. Y., Repnytska, O. P., Shirshov, Y. M., Tryndiak, V. P., … Solyanik, G. I. (2002). Surface enhanced IR absorption of nucleic acids from tumor cells: FTIR reflectance study. Biopolymers, 67(6), 470–486. https://doi.org/10.1002/bip.10165

Dovbeshko, G.I. (2009). Molecular mechanisms of interaction of biological molecules with nanostructures, ligands and low doses of ionizing and microwave irradiation. (Doctor of sciences dissertation, V.N. Karazin Kharkiv National University, Kharkiv). (in Ukrainian). Available from Vernadsky National Library of Ukraine (DS117134)

Dovbeshko, G.I., Chegel, V.I., Gridina, N.Ya.,Gnatyuk, O.P., Shirshov, Y.M., Tryndiak, V.P., and Todor, I.M. (2001). Surface enhanced infrared absorption of nucleic acids on gold substrate. Semiconductor Physics Quantum Electronics and Optoelectronics, 4(3), 202-206. https://doi.org/10.1117/12.429717

Dong A., Meyer J.D., Brown J.L., Manning M.C., Carpenter J. F. (2000) Comparative Fourier Transform Infrared and Circular Dichroism spectroscopic analysis of a1l-proteinase inhibitor and ovalbumin in aqueous solution. Arch. Biochem. Biophys. 383: 148-155. https://doi.org/10.1006/abbi.2000.2054

Goormaghtigh, E., Ruysschaert, J.-M., &Raussens, V. (2006). Evaluation of the Information Content in Infrared Spectra for Protein Secondary Structure Determination. Biophysical Journal, 90(8), 2946–2957. https://doi.org/10.1529/biophysj.105.072017

Pérez, C., &Griebenow, K. (2000). Fourier-transform infrared spectroscopic investigation of the thermal denaturation of hen egg-white lysozyme dissolved in aqueous buffer and glycerol. Biotechnology Letters. 22(23), 1899–1905. https://doi.org/10.1023/a:1005645810247

Zandomeneghi, G., Krebs, M. R. H., McCammon, M. G., &Fändrich, M. (2009). FTIR reveals structural differences between native β-sheet proteins and amyloid fibrils. Protein Science, 13(12), 3314–3321. https://doi.org/10.1110/ps.041024904

del Mercato, L. L., Pompa, P. P., Maruccio, G., Torre, A. D., Sabella, S., Tamburro, A. M., …Rinaldi, R. (2007). Charge transport and intrinsic fluorescence in amyloid-like fibrils. Proceedings of the National Academy of Sciences, 104(46), 18019–18024. https://doi.org/10.1073/pnas.0702843104

Waters, J. C. (2009). Accuracy and precision in quantitative fluorescence microscopy. The Journal of Cell Biology, 185(7), 1135–1148. https://doi.org/10.1083/jcb.200903097

Churchman, L. S., Okten, Z., Rock, R. S., Dawson, J. F., & Spudich, J. A. (2005). Single molecule high-resolution colocalization of Cy3 and Cy5 attached to macromolecules measures intramolecular distances through time. Proceedings of the National Academy of Sciences, 102(5), 1419–1423. https://doi.org/10.1073/pnas.0409487102

Yildiz, A., &Selvin, P. R. (2005). Fluorescence Imaging with One Nanometer Accuracy: Application to Molecular Motors. Accounts of Chemical Research, 38(7), 574–582. https://doi.org/10.1021/ar040136s

Huang, B., W. Wang, M. Bates, and X. Zhuang. (2008). Three-dimensional super-resolution imaging by stochastic optical reconstruction microscopy. Science, 319, 810–813.

Manley, S., Gillette, J. M., Patterson, G. H., Shroff, H., Hess, H. F., Betzig, E., & Lippincott-Schwartz, J. (2008). High-density mapping of single-molecule trajectories with photoactivated localization microscopy. Nature Methods, 5(2), 155–157. https://doi.org/10.1038/nmeth.1176

Pawley J. B. (2006) Handbook of Biological Confocal Microscopy (3d ed.). Springer, New York: Science+Business Media, LLC.

Kovalska, V., Chernii, S., Cherepanov, V., Losytskyy, M., Chernii, V., Varzatskii, O., …Yarmoluk, S. (2017). The impact of binding of macrocyclic metal complexes on amyloid fibrillization of insulin and lysozyme. Journal of Molecular Recognition, 30(8), e2622. https://doi.org/10.1002/jmr.2622

Опубліковано
2019-06-06
Цитовано
0 статей
Як цитувати
Olenchuk, M., Gnatyuk, O., Dovbeshko, G., Polovyi, I., & Karakhim, S. (2019). Вуглецеві нанотрубки перешкоджають чи сприяють формуванню амілоїдних фібрил?. Біофізичний вісник, (42), 49-60. https://doi.org/10.26565/2075-3810-2019-42-04
Розділ
Молекулярна біофізика