Дослідження методом молекулярного докінгу функціоналізованих білками вуглецевих наноматеріалів для детектування та видалення важких металів
Анотація
Вуглецеві наноматеріали (BH) зарекомендували себе надзвичайно ефективними для видалення важких металів із забрудненої води та навколишнього середовища завдяки своїм унікальним структурним і хімічним властивостям. Однак гідрофобна природа BH і їхня схильність до агрегації в більшості розчинників створюють значні труднощі для їх практичного застосування. Функціоналізація вуглецевих наноматеріалів за допомогою білків є перспективним вирішенням цих проблем, що може призвести до створення систем з безпрецедентною ефективністю. Перед тим як створювати білково-ВН системи для виявлення та видалення важких металів, важливо оцінити афінність зв’язування металів та можливі взаємодії за допомогою комп'ютерних методів. У цьому дослідженні була використано метод молекулярного докінгу для вивчення взаємодій між солями важких металів (AsO₄, Cd(NO₃)₂, Fe(NO₃)₃, NiSO₄, PbSO₄, PtCl₄), вуглецевими наноматеріалами (фулерени C₂₄ і C₆₀, а також одностінні вуглецеві нанотрубки) і β-лактоглобуліном. Результати докінгу показали, що:1) розмір, форма та поверхневі властивості вуглецевих матеріалів суттєво впливають на здатність комплексів β-лактоглобуліну з ВН взаємодіяти з різними важкими металами; 2) афінність солей важких металів до створених наносистем в значній мірі варіюється; 3) водневі зв’язки та гідрофобні взаємодії відіграють суттєву роль у комплексоутворенні солей важких металів з β-лактоглобуліном та вуглецевими матеріалами.
Carbon nanomaterials (CNMs) have emerged as highly effective agents for the removal of heavy metals from contaminated water and environments, owing to their unique structural and chemical properties. However, the hydrophobic nature of CNMs and their tendency to aggregate in most solvents present significant challenges to their practical application. Functionalizing carbon-based nanomaterials with proteins offers a promising solution to these issues, potentially leading to systems with unprecedented performance. Before fabricating protein-CNM systems for heavy metal detection and removal, it is crucial to evaluate the metal-binding affinity and potential interaction modes using computational approaches. In this study, a molecular docking technique was employed to investigate the interactions among heavy metal salts (AsO₄, Cd(NO₃)₂, Fe(NO₃)₃, NiSO₄, PbSO₄, PtCl₄), carbon-based nanomaterials (fullerenes C₂₄ and C₆₀, and single-walled carbon nanotubes), and β-lactoglobulin. The docking results revealed that: 1) the size, shape, and surface properties of carbon-based materials significantly influence the ability of β-lactoglobulin-CNM complexes to interact with different heavy metals; 2) different heavy metal salts exhibit distinct preferences for the various nanosystems; 3) hydrogen bonding and hydrophobic interactions play a significant role in the complexation of heavy metal salts with β-lactoglobulin-carbon-based materials.
Завантаження
Посилання
P.B. Tchounwou, C.G. Yedjou, A.K. Patlolla, and D.J. Sutton. Exp. Suppl. 101, 133 (2012). https://doi.org/10.1007/978-3-7643-8340-4_6
M. Balali-Mood, K. Naseri, Z. Tahergorabi, M. Reza Khazdair, and M. Sadeghi, Front Pharmacol. 12, 643972 (2021). https://doi.org/10.3389/fphar.2021.643972
M. Cerna. Environ Monit Assess. 34, 151 (1995). https://doi.org/10.1007/BF00546029
A. Da̧browski, Z. Hubicki, P. Podkościelny, and E. Robens, Chemosphere 56, 91 (2004). https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2004.03.006
S.A. Cavaco, S. Fernandes, M. Quina, and L.M. Ferreira. J. Hazard. Mater. 144, 634 (2007). https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2007.01.087
N.A.A. Qasem, R.H. Mohammed, and D.U. Lawal, npj Clean Water, 4, 36 (2021). https://doi.org/10.1038/s41545-021-00127-0J.-J
J.-J. Kim, Y.-S. Kim, and V. Kumar, J. Trace Elem. Med. Biol. 54, 226 (2019). https://doi.org/10.1016/j.jtemb.2019.05.003
J. Huang, J. et al., Colloids Surf. A Physicochem. Eng. Asp. 520, 361 (2017). https://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2017.02.001
N. Kongsricharoern, and C. Polprasert, Water Sci. Technol. 31, 109 (1995). https://doi.org/10.2166/wst.1995.0350
M.T. Alvarez, C. Crespo, and B. Mattiasson, Chemosphere, 66, 1677 (2007). https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2006.07.065
Q. Chen, Z. Luo, C. Hills, G. Xue, and M. Tyrer, Water Res. 43, 2605 (2009). https://doi.org/10.5539/ep.v1n1p38
R. Janani, G. Baskar, K. Sivakumar, V. Sunita, et al., Environmental Research, 203, 111815 (2022). https://doi.org/10.1016/j.envres.2021.111815
Z. Raji, A. Karim, A. Karam, and S. Khalloufi, Waste, 1, 775 (2023). https://doi.org/10.3390/waste1030046R
V.J. Inglezakis, M.A. Stylianou, D. Gkantzou, and M.D. Loizidou, Desalination, 210, 248 (2007). https://doi.org/10.1016/j.desal.2006.05.04
R. Baby, B. Saifullah, and M.Z. Hussein, Nanoscale Res. Lett. 14, 341 (2019). https://doi.org/10.1186/s11671-019-3167-8
C. Lu, H. Chiu, and C. Liu, Ind. Eng. Chem. Res. 45, 2850 (2006). https://doi.org/10.1021/ie051206h
G. Rao, C. Lu, and F. Su, Sep. Purif. Technol. 58, 224 (2008). https://doi.org/10.1016/j.seppur.2006.12.006
M. Taghavi, M.A. Zazouli, Z. Yousefi, et al., Environ. Monit. Asses. 187, 682 (2015). https://doi.org/10.1007/s10661-015-4911-x
K. Anitha, S. Namsani, and J.K. Singh. J. Phys. Chem. A. 119, 8349 (2015). https://doi.org/10.1021/acs.jpca.5b03352
T.A. Tabish, F.A. Memon, D.E. Gomez, et al., Sci. Rep. 8, 1817 (2018). https://doi.org/10.1038/s41598-018-19978-8
T. Guo, C. Bulin, B. Li, et al., Adsorption Science & Technology, 36(3-4), 1031 (2018). https://doi.org/10.1177/0263617417744402
C.Z. Zhang, B. Chen, Y. Bai, and J. Xie, Separation Science and Technology, 53(18), 2896 (2018). https://doi.org/10.1080/01496395.2018.1497655
D. Vilela, J. Parmar, Y. Zeng, Y. Zhao, and S. Sánchez, Nano Lett. 16(4), 2860 (2016). https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.6b00768
X. Yang, T. Zhou, B. Ren, A. Hursthouse, and Y. Zhang. Sci. Rep. 16, 10717 (2018). https://doi.org/10.1038/s41598-018-29133-y
O.V. Alekseeva, N.A Bagrovskaya, and A.V. Noskov, Prot. Met. Phys. Chem. Surf. 52, 443 (2016). https://doi.org/10.1134/S2070205116030035.
E. Ciotta, P. Prosposito, D. Moscone, N. Collozza, and R. Pizzoferrato, AIP Conf. Proc. 2145, 020008 (2019). https://doi.org/10.1063/1.5123569
L. Chuanzhou, X. Haijun, H. Ziqi, Z. Xu, and H. Jun. Environmental Pollution, 235, 330 (2018). https://doi.org/10.1016/j.envpol.2017.12.062
P. Csizmadia, in: Proceedings of ECSOC-3, the third international electronic conference on synthetic organic chemistry, (Budapest, 1999). pp. 367-369, https://doi.org/10.3390/ECSOC-3-01775
M.D. Hanwell, D.E. Curtis, D.C. Lonie, T. Vandermeersch, E. Zurek, and G.R. Hutchison, J. Cheminform. 4, 17 (2012). https://doi.org/10.1186/1758-2946-4-17
M. Adasme, K. Linnemann, S. Bolz, F. Kaiser, et al., Nucleic Acids Research, 49, W530 (2021). https://doi.org/10.1093/nar/gkab294
X. Huang, R. Li, L. Zeng, X. Li, Z. Xi, K. Wang, and Y. Li, Carbon, 161, 350 (2020). https://doi.org/10.1016/j.carbon.2020.01.069
N. Kang, J. Hua, L. Gao, B. Zhang, J. Pang, Materials, 14, 608 (2021). https://doi.org/10.3390/ma14030608
M. Peydayesh, S. Bolisetty, T. Mohammadi, and R. Mezzenga, Langmuir. 35, 4161 (2019). https://doi.org/10.1021/acs.langmuir.8b04234
H. Benyamini, A. Shulman-peleg, H.J. Wolfson, L. Fadeev, M. Gozin. Bioconjugate Chem, 17, 378-386 (2006). https://doi.org/10.1021/bc050299g
S. Marchesan, and M. Prato, Chem. Commun. 51, 4347 (2015). https://doi.org/10.1039/C4CC09173F
F.D. Leo, A. Magistrato, and D. Bonifazi, Chem. Soc. Rev. 44, 6916 (2015). https://doi.org/10.1039/C5CS00190K
F. Karchemsky, E. Drug, E. Mashiach-Farkash, L. Fadeev, H.J. Wolfson, M. Gozin, and O. Regev, Colloids and Surfaces B: Biointerfaces, 112, 16 (2013). https://doi.org/10.1016/j.colsurfb.2013.07.018
C. Ge, J. Du, L. Zhao, and C. Chen, PNAS, 108(41), 16968 (2011). https://doi.org/10.1073/pnas.110527010
C. Duan, T. ma, J. Wang, and Y. Zhou, JWPE, 37, 101339, (2020). https://doi.org/10.1016/j.jwpe.2020.101339
X. Yang, Y. Wan, Y. Zheng, F. He, Z. Yu, J. Huang, H. Wang, et al., Chem. Eng. J. 366 608 (2019). https://doi.org/10.1016/j.cej.2019.02.119
A.H. Fahmi, A.W. Samsuri, H. Jol, and D. Singh, RSC Adv. 8, 38270 (2018). https://doi.org/10.1039/c8ra06867d
K.C. Lai, L.Y. Lee, B.Y.Z. Hiew, S. Thangalazhy-Gopakumar, and S. Gan, J. Environ. Sci. 79, 179 (2019). https://doi.org/10.1016/j.jes.2018.11.023
W. Zhan, L. Gao, X. Fu, S.H. Siyal, G. Sui, and X. Yang, Appl. Surf. Sci. 467–468, 1122 (2019). https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2018.10.248
Y. Deng, S. Huang, D.A. Laird, X. Wang, and Z. Meng, 218, 308 (2019). https://doi.org/10.1016/j. chemosphere.2018.11.081
D. Shalev. Int. J. Mol. Sci. 23, 15957 (2022). https://doi.org/10.3390/ijms232415957
Z. Yang, F, Yang, J.L. Liu, H.T. Wum H. Yang, et al., Sci Total Environ. 809, 151099 (2022). https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2021.151099
K.B. Handing, E. Niedzialkowska, I.G. Shabalin, M.L. Kuhn, H. Zheng, and W. Minor. Nat Protoc. 13, 1062 (2018). https://doi.org/10.1038/nprot.2018.018
J. Zang, C. Li, K. Zhou, H. Dong, B. Chen, F. Wang, and G. Zhao, Anal. Chem. 88, 10275 (2016). https://doi.org/10.1021/acs.analchem.6b03011
Y.F. Lin, C.W. Cheng, C.S. Shin, J.K. Hwang, C.S. Yu, C.H. and Lu, J. Chem. Inf. Model 56, 2287 (2016). https://doi.org/10.1021/acs.jcim.6b00407
M.P. Chantada-Varquez, A. Moreda-Pineiro, M.C. Barciels-Alonso, and P. Bermejo-Barrera, Appl. Spectr. Rev. 52, 145 (2017). https://doi.org/10.1080/05704928.2016.1213736.
R. Pearson, J. Chem. Educ. 45, 981 (1968). https://doi.org/10.1021/ed045p581
Авторське право (c) 2024 О. Житняківська, У. Тарабара, К. Вус, В. Трусова, Г. Горбенко
Цю роботу ліцензовано за Міжнародня ліцензія Creative Commons Attribution 4.0.
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).
