Вуглецеві нанотрубки перешкоджають чи сприяють формуванню амілоїдних фібрил?
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
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
Автори, які публікуються у цьому журналі, погоджуються з наступними умовами:
- Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису роботи, як до подання цього рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи (див. The Effect of Open Access).
