Проникність наночастинок С60 фулерену крізь модельну ліпідну оболонку коронавіруса та їх протикоронавірусна дія в системі in ovo

  • Василь Гурмач Інститут молекулярної біології та генетики НАН України, вул. Академіка Заболотного, 150, м. Київ, 03143, Україна https://orcid.org/0000-0002-0844-1586
  • Вячеслав Караушу Київський національний університет імені Тараса Шевченка, ННЦ «Інститут біології та медицини», вул. Володимирська, 64/13, м. Київ, 01601, Україна
  • Зінаїда Клестова Інститут медичної вірусології та епідеміології вірусних захворювань, Ельфріде-Аульхорн-штрассе, 6, Тюбінген, 72076, Німеччина https://orcid.org/0000-0003-0771-7808
  • Володимир Берест Харківський національний університет імені В. Н. Каразіна, майдан Свободи, 4, м. Харків, 61022, Україна https://orcid.org/0000-0001-7779-154X
  • Юрій Прилуцький Київський національний університет імені Тараса Шевченка, ННЦ «Інститут біології та медицини», вул. Володимирська, 64/13, м. Київ, 01601, Україна https://orcid.org/0000-0002-9847-4137
DOI: https://doi.org/10.26565/2075-3810-2023-50-02
Ключові слова: С60 фулерен, коронавірус, молекулярна динаміка, протикоронавірусна активність

Анотація

Актуальність. Актуальним питанням сучасної біомедицини є пошук потенційних шляхів щодо зменшення поширення коронавірусних інфекцій у популяціях людей і тварин та усунення впливу коронавірусу на їх організми.

Мета роботи полягала у визначенні структурної організації С60 фулеренів у модельному клітинному середовищі, оцінці їх потенційної здатності проникати крізь модельну ліпідну оболонку коронавіруса, руйнуючи таким чином його цілісність, а також встановленню ефективності протикоронавірусної дії в системі in ovo.

Матеріали і методи. Дослідження проводили з використанням програмного пакета Gromacs 2020 і силового поля Charmm36. Для побудови ліпідної оболонки коронавірусу застосовували web-ресурс CHARMM-GUI. В експериментах in ovo на курячих ембріонах використали вірусологічні та токсикологічні методи.

Результати. Показано, що на початкових етапах молекулярної динаміки С60 фулерен формує незначні за розміром нанокластери у кількості 7–16 молекул, на що впливає їх вихідна концентрація у модельному клітинному  середовищі. При цьому форма наноструктур для кількості молекул понад 16 може відрізнятися від правильної сферичної. Встановлено, що С60 фулерен та його нанокластери здатні проникати всередину ліпідної оболонки коронавірусу. Зокрема, поодинока молекула С60 може мігрувати, повністю заглиблюватися у ліпідну оболонку або пересуватися всередині неї. Встановлено, що водний розчин С60 фулеренів за максимально допустимої концентрації (МДК) 30 мкг/ембріон знижує інфекційну активність коронавірусу інфекційнoгo бронхіту курей (ІБК) при його застосуванні через 1, 2 і 4 год після інфікування коронавірусом чутливої біологічної системи.

Висновки. Показано, що агрегація С60 фулеренів у модельному клітинному середовищі може відбуватися по-різному: або до проникнення у ліпідну оболонку коронавірусу, або всередині неї. С60 фулерени, як поодинокі, так і у складі нанокластерів, здатні утворювати пори в оболонці коронавірусу, руйнуючи його цілісність, що, можливо, призводить до порушення відповідних стадій циклу його реплікації та прикріплення до рецепторів клітини. Встановлено, що водний розчин С60 фулеренів при застосуванні за МДК проявляє противірусну активність щодо коронавірусу ІБК на його ранніх стадіях взаємодії з клітиною (1–4 год).

Завантаження

##plugins.generic.usageStats.noStats##

Посилання

Goodarzi S, Da Ros T, Conde J, Sefat F, Mozafari M. Fullerene: biomedical engineers get to revisit an old friend. Mater Today. 2017;20(8):460–80. https://doi.org/10.1016/j.mattod.2017.03.017

Piotrovsky LB, Kiselev OI. Fullerenes and viruses. Fullerenes, Nanotubes and Carbon Nanostructures. 2005;12(1-2):397–403. https://doi.org/10.1081/FST-120027198

Melnyk MI, Ivanova IV, Dryn DO, Prylutskyy YuI, Hurmach VV, Platonov M, et al. C60 fullerenes selectively inhibit BKCa but not Kv channels in pulmonary artery smooth muscle cells. Nanomedicine. 2019;19:1–11. https://doi.org/10.1016/j.nano.2019.03.018

Abraham MJ, Murtola T, Schulz R, Páll S, Smith JC, Hess B, et al. GROMACS: High performance molecular simulations through multi-level parallelism from laptops to supercomputers. SoftWareX. 2015;(1-2):19–25. https://doi.org/10.1016/j.softx.2015.06.001

Huang J, MacKerell Jr AD. CHARMM36 all-atom additive protein force field: validation based on comparison to NMR data. J Comput Chem. 2013;34(25):2135–45. https://doi.org/10.1002/jcc.23354

Zoete V, Cuendet MA, Grosdidier A. SwissParam: A fast force field generation tool for small organic molecules. J Comput Chem. 2011;32:2359–68. https://doi.org/10.1002/jcc.21816

Prilutski YuI, Durov SS, Yashchuk VN, Ogul’chansky TYu, Pogorelov VE, Astashkin YuA, et al. Theoretical predictions and experimental studies of self-organization C60 nanoparticles in water solution and on the support. Eur Phys J D. 1999;9(1–4):341–3. https://doi.org/10.1007/s100530050452

CHARMM-GUI Input Generator [Internet]. 2023 [cited 2023 Aug 28]. Available from: https://www.charmm-gui.org/?doc=input/membrane.bilayer

Prylutska SV, Matyshevska OP, Grynyuk II, Prylutskyy YuI, Ritter U, Scharff P. Biological effects of C60 fullerenes in vitro and in a model system. Mol Cryst Liq Cryst. 2007;468:265–74. https://doi.org/10.1080/15421400701230105

Klestova ZS, Tashuta SG, Blotska OF, Kuzmitch GS, Kubayev AP, Krasnobayev EO. Determining the infectious activity of chicken infectious bronchitis virus in chicken embryos. State Scientific and Control Institute of Biotechnology and Strains of Microorganisms of Kyiv; 2020. Methodological recommendations approved by State Service of Ukraine on Security Issues of Food and Consumer Protection on Dec 18, 2020, record 3. (In Ukrainian)

Zhang S, Mu Y, Zhang JZH, Xu W. Effect of Self-Assembly of Fullerene Nano-Particles on Lipid Membrane. PLoS ONE. 2013;8:e77436. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0077436

Hurmach V, Platonov M, Prylutska S, Klestova Z, Cherepanov V, Prylutskyy Yu, et al. Anticoronavirus activity of water-soluble pristine C60 fullerenes: in vitro and in silico screenings. In: Asea AAA, Kaur P, eds. Coronavirus Therapeutics — Volume I. Advances in Experimental Medicine and Biology 1352. Springer; 2021. p. 159–72. https://doi.org/10.1007/978-3-030-85109-5_10

Опубліковано
2023-12-30
Цитовано
Як цитувати
Гурмач, В., Караушу, В., Клестова, З., Берест, В., & Прилуцький, Ю. (2023). Проникність наночастинок С60 фулерену крізь модельну ліпідну оболонку коронавіруса та їх протикоронавірусна дія в системі in ovo. Біофізичний вісник, (50), 17–24. https://doi.org/10.26565/2075-3810-2023-50-02
Номер
№ 50 (2023): Біофізичний вісник
Розділ
Біофізика клітини
Авторське право (c) 2023 В. В. Гурмач, В. Р. Караушу, З. С. Клестова, В. П. Берест, Ю. І. Прилуцький

Автори, які публікуються у цьому журналі, погоджуються з наступними умовами:

  1. 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.
  2. 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.
  3. 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).