Протикоронавірусна активність С60 фулерену: in silico та in vitro скринінг

  • 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 https://orcid.org/0009-0007-9979-0020
  • Зінаїда Клестова Інститут медичної вірусології та епідеміології вірусних захворювань, вул. Ельфріди Аульхорн, 6, 72076, Тюбінген, Німеччина https://orcid.org/0000-0003-0771-7808
  • Володимир Берест Харківський національний університет імені В. Н. Каразіна, майдан Свободи 4, 61022, м. Харків, 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/10.26565/2075-3810-2025-53-05
Ключові слова: С60 фулерен, коронавіруси тварин, молекулярний докінг, молекулярна динаміка, противірусна активність in vitro

Анотація

Актуальність. Пошук потенційних терапевтичних засобів проти найбільш поширених коронавірусів, які несуть загрозу життю людини і тварин, є актуальним питанням сучасної біомедицини.

Мета роботи полягала в оцінці in silico здатності С60 фулерену взаємодіяти з мембранним білком ACE2, запобігаючи утворенню комплексу «коронавірус-ACE2» і подальшому його проникненню всередину клітини-господаря, а також ефективності протикоронавірусної дії цих вуглецевих наночастинок у системах in vitro.

Методи. Для дослідження структурної організації білка АСЕ2 людини використали дані Protein Data Bank, для побудови мембрани — web-ресурс CHARMM-GUI, а для С60 фулерену — онлайн сервер SwissParam. Потенційні кишені зв’язування для C60 фулерену у структурі АСЕ2 визначили за допомогою програмного пакету Caver. Для дослідження взаємодії C60 фулерену та АСЕ2 використали алгоритм системного молекулярного докінгу (sdock+). Розрахунки з молекулярної динаміки (МД) виконали у програмному пакеті Gromacs 2020. В експериментах in vitro використали цитотоксикологічні та вірусологічні методи. Статистичну обробку результатів вимірювань проводили за використання програми Statistica 13.3.

Результати. Встановили три потенційних сайти зв’язування між жолобком пептидазного домену білка ACE2 і С60 фулереном. Результати молекулярного докінгу та МД свідчать, що С60 фулерен утворює два стабільних комплекси з ACE2 білком, блокуючи таким чином його потенційну взаємодію з коронавірусами. За результатами in vitro досліджень випливає, що С60 фулерени за максимально допустимої концентрації 37,5 мкг/мл діють на коронавіруси свиней (α-коронавірус) і великої рогатої худоби (β-коронавірус) на ранній стадії реплікації (1 год) у чутливих клітинних системах, суттєво знижуючи їх інфекційну активність на величину 2,00 lg ТЦД50/мл і ≥2,28 lg ТЦД50/мл, відповідно.

Висновки. Показано, що С60 фулерен утворює два стабільних комплекси з білком ACE2, пригнічуючи його функціональну активність і блокуючи потенційну взаємодію з коронавірусами. Встановлено, що С60 фулерени проявляють противірусну активність щодо коронавірусів двох груп на початковій стадії інфікування при взаємодії з чутливими клітинами-господаря.

Завантаження

##plugins.generic.usageStats.noStats##

Посилання

Song Z, Xu Y, Bao L, Zhang L, Yu P, Qu Y, Zhu H, et al. From SARS to MERS, thrusting coronaviruses into the spotlight. Viruses. 2019;11(1):59. https://doi.org/10.3390/v11010059

Lai C-C, Shih T-P, Ko W-C, Tang H-J, Hsueh P-R. Severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) and coronavirus disease-2019 (COVID-19): The epidemic and the challenges. Int J Antimicrob Agents. 2020;55(3):105924. https://doi.org/10.1016/j.ijantimicag.2020.105924

Fung TS, Liu DX. Human coronavirus: host-pathogen interaction. Annual Rev Microbiol. 2019;73:529–57. https://doi.org/10.1146/annurev-micro-020518-115759

Wang Q, Zhang Y, Wu L, Niu S, Song C, Zhang Z, et al. Structural and functional basis of SARS-CoV-2 entry by using human ACE2. Cell. 2020;181(4):894–904. https://doi.org/10.1016/j.cell.2020.03.045

Saif LJ, Jung K. Comparative pathogenesis of bovine and porcine respiratory coronaviruses in the animal host species and SARS-CoV-2 in humans. J Clin Microbiol. 2020;58(8);e01355–20. https://doi.org/10.1128/jcm.01355-20

Urie NJ, Lombard JE, Shivley CB, Kopral CA, Adams AE, Earleywine TJ, et al. Preweaned heifer management on US dairy operations: Part V. Factors associated with morbidity and mortality in preweaned dairy heifer calves. J Dairy Sci. 2018;101(10):9229–44. https://doi.org/10.3168/jds.2017-14019

Saif LJ, Wesley R. Transmissible gastroenteritis and porcine respiratory Coronavirus. In: Disesases of Swine. Iowa State Univ Press, 1999:295–325.

Woo PCY, Huang Y, Lau SKP, Yuen K-Y. Coronavirus genomics and bioinformatics analysis. Viruses. 2010;2(8):1804–20. https://doi.org/10.3390/v2081803

Nikaeen G, Abbaszadeh S, Yousefinejad S. Application of nanomaterials in treatment, anti-infection and detection of coronaviruses. Nanomedicine (Lond.). 2020;15(15):1501–12. https://doi.org/10.2217/nnm-2020-0117

Innocenzi P, Stagi L. Carbon-based antiviral nanomaterials: graphene, C-dots, and fullerenes. A perspective. Chem Sci. 2020;11(26):6606–22. https://doi.org/10.1039/D0SC02658A

Halenova T, Raksha N, Savchuk O, Ostapchenko L, Prylutskyy YuI, Ritter U, et al. Evaluation of the biocompatibility of water-soluble pristine C60 fullerenes in rabbit. BioNanoSci. 2020;10:721–30. https://doi.org/10.1007/s12668-020-00762-w

Mchedlov-Petrossyan NO. Fullerenes in liquid media: an unsettling intrusion into the solution chemistry. Chem Rev. 2013;113(7):5149–93. https://doi.org/10.1021/cr3005026

Shoji M, Takahashi E, Hatakeyama D, Iwai Y, Morita Y, Shirayama R, et al. Anti-influenza activity of C60 fullerene derivatives. PLoS One. 2013;8(6):e66337. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0066337

Dechant PP, Wardman J, Keef T, Twarock R. Viruses and fullerenes - symmetry as a common thread? Acta Crystallogr A Found Adv. 2014;70(2):162–7. https://doi.org/10.1107/S2053273313034220

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

Moussa F. Fullerene and derivatives for biomedical applications. Nanobiomater. 2018:113–36. https://doi.org/10.1016/B978-0-08-100716-7.00005-2

Kraevaya OA, Peregudov AS, Godovikov IA, Shchurik EV, Martynenko VM, Shestakov AF, et al. Direct arylation of C60Cl6 and C70Cl8 with carboxylic acids: a synthetic avenue to water-soluble fullerene derivatives with promising antiviral activity. Chem Commun (Camb). 2020;56(8):1179–82. https://doi.org/10.1039/c9cc08400b

Piotrovsky LB, Kiselev OI. Fullerenes and viruses. Fuller, Nanotub Car N. 2006;12(1–2):397–403. https://doi.org/10.1081/fst-120027198

Lin YL, Lei HY, Wen YY, Luh T, Chou СK, Liu HS. Light-independent inactivation of Dengue-2 virus by carboxyfullerene C3 isomer. Virology. 2000;275(2):258–62. https://doi.org/10.1006/viro.2000.0490

Hurmach V, Karaushu V, Klestova Z, Berest V, Prylutskyy Y. C60 fullerene nanoparticles permeability through the model lipid envelope of coronavirus and their anticoronavirus effect in the in ovo system. Biophisical Bulletin. 2023;(50):17–24. https://doi.org/10.26565/2075-3810-2023-50-02

Sijbesma R, Srdanov G, Wudl F, Castoro JA, Wilkins C, Friedman CH, et al. Synthesis of a fullerene derivative for the inhibition of HIV enzymes. J Am Chem Soc. 1993;115(15):6510–12. https://doi.org/10.1021/ja00068a006

Marchesan S, Da Ros T, Spalluto G, Balzarini J, Prato M. Anti-HIV properties of cationic fullerene derivatives. Bioorg Med Chem Lett. 2005;15(15):3615–18. https://doi.org/10.1016/j.bmcl.2005.05.069

Kataoka H, Ohe T, Takahashi K, Nakamura S, Mashino T. Novel fullerene derivatives as dual inhibitors of Hepatitis C virus NS5B polymerase and NS3/4A protease. Bioorg Med Chem Lett. 2016;26(19):4565–7. https://doi.org/10.1016/j.bmcl.2016.08.086

Hurmach VV, Platonov MO, Prylutska SV, Scharff P, Prylutskyy YuI, Ritter U. C60 fullerene against SARS-CoV-2 coronavirus: an in silico insight. Sci Rep. 2021;11(1):17748. https://doi.org/10.1038/s41598-021-97268-6

McMartin C, Bohacek RS. QXP: powerful, rapid computer algorithms for structure-based drug design. J Comput Aided Mol Des. 1997;11(4):333–44. https://doi.org/10.1023/a:1007907728892

Warren GL, Andrews CW, Capelli A-M, Clarke B, LaLonde J, Lambert MH, et al. A critical assessment of docking programs and scoring functions. J Med Chem. 2006;49(20):5912–31. https://doi.org/10.1021/jm050362n

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(11):2359–68. https://doi.org/10.1002/jcc.21816

RCSB Protein Data Bank [Internet]. The Research Collaboratory for Structural Bioinformatics Protein Data Bank [cited 2024 Nov 5]. Available from: https://www.rcsb.org/

Jo S, Kim T, Iyer VG, Im W. CHARMM-GUI: A web-based graphical user interface for CHARMM. J. Comput. Chem. 2008;29:1859–65 https://doi.org/10.1002/jcc.20945

Jurcik A, Bednar D, Byska J, Marques SM, Furmanova K, Daniel L, et al. CAVER Analyst 2.0: Analysis and Visualization of Channels and Tunnels in Protein Structures and Molecular Dynamics Trajectories. Bioinformatics. 2018;34(20):3586–88. https://doi.org/10.1093/bioinformatics/bty386.

Ritter U, Prylutskyy YuI, Evstigneev MP, Davidenko NA, Cherepanov VV, Senenko AI, et al. Structural features of highly stable reproducible C60 fullerene aqueous colloid solution probed by various techniques. Fuller Nanotub Car N. 2015;23(6):530–4. https://doi.org/10.1080/1536383X.2013.870900

Prilutski Yu, Durov S, Bulavin L, Pogorelov V, Astashkin Yu, Yashchuk V, et al. Study of structure of colloidal particles of fullerenes in water solution. Mol Cryst Liq Cryst. 1998;324:65–70. https://doi.org/10.1080/10587259808047135

Yan R, Zhang Y, Li Y, Xia L, Guo Y, Zhou Q. Structural basis for the recognition of SARS-CoV-2 by full-length human ACE2. Science. 2020;367(6485):1444–8. https://doi.org/10.1126/science.abb2762

Shang J, Ye G, Shi K., Wan Y, Luo C, Aihara H, et al. Structural basis of receptor recognition by SARS-CoV-2. Nature. 2020;581:221–4. https://doi.org/10.1038/s41586-020-2179-y

Tolkachov M, Sokolova V, Korolovych V, Prylutskyy Yu, Epple M, Ritter U, et al. Study of biocompatibility effect of nanocarbon particles on various cell types in vitro. Mat-wiss u Werkstofftech. 2016;47(2–3):216–21. https://doi.org/10.1002/mawe.201600486

Prylutska SV, Grebinyk AG, Lynchak OV, Byelinska IV, Cherepanov VV, Tauscher E, et al. In vitro and in vivo toxicity of pristine C60 fullerene aqueous colloid solution. Fuller Nanotub Car N. 2019;27(9):715–28. https://doi.org/10.1080/1536383X.2019.1634055

Опубліковано
2025-08-06
Цитовано
Як цитувати
Гурмач, В., Караушу, В., Клестова, З., Берест, В., & Прилуцький, Ю. (2025). Протикоронавірусна активність С60 фулерену: in silico та in vitro скринінг. Біофізичний вісник, (53), 60-71. https://doi.org/10.26565/2075-3810-2025-53-05
Номер
№ 53 (2025): Біофізичний вісник
Розділ
Біофізика клітини

Авторське право (c) 2025 В. В. Гурмач, В. Р. Караушу, З. С. Клестова, В. П. Берест, Ю. І. Прилуцький

Ліцезія Creative Commons

Цю роботу ліцензовано за Міжнародня ліцензія Creative Commons Attribution 4.0.

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).

Найбільш популярні статті цього автора (авторів)