toxreviewТоксикологический вестникToxicological Review0869-79223034-4611Federal Scientific Center of Hygiene named after F.F. Erisman10.36946/0869-7922-2020-4-12-20toxreview-318Research ArticleСтатьиОСОБЕННОСТИ ИММОБИЛИЗАЦИИ ФОСФОРОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ ЧЕРЕЗ СТРЕПТАВИДИН-БИОТИНОВУЮ СИСТЕМУ ДЛЯ ЭКСПЕРИМЕНТОВ ПО СЕЛЕКЦИИ АПТАМЕРОВFEATURES OF ORGANOPHOSPHATES IMMOBILIZATION VIA STREPTAVIDIN-BIOTIN SYSTEM FOR EXPERIMENTS ON SELECTION OF APTAMERSБелинскаяД. А.BelinskayaD. A.

Белинская Дарья Александровна

кандидат биологических наук, научный сотрудник лаборатории сравнительной физиологии сенсорных систем

194223, г. Санкт-Петербург

Belinskaya Daria Alexandrovna

194223, Saint Petersburg

d_belinskaya@mail.ruЧелусноваЮ. В.ChelusnovaYu. V.

Челуснова Юлия Викторовна

научный сотрудник лаборатории химического моделирования

188663, г.п. Кузьмоловский, Ленинградская область

Chelusnova Yulia Victorovna

188663, p.o. Kuz’molovsky, Leningrad Region

chelusnovayulia@mail.ruАбзианидзеВ. В.AbzianidzeV. V.

Абзианидзе Виктория Вадимовна

кандидат химических наук, старший научный сотрудник лаборатории химического моделирования

188663, г.п. Кузьмоловский, Ленинградская область

Abzianidze Victoria Vadimovna

188663, p.o. Kuz’molovsky, Leningrad Region

ГончаровН. В.GoncharovN. V.

Гончаров Николай Васильевич

доктор биологических наук, ведущий научный сотрудник; заведующий лабораторией сравнительной биохимии ферментов Федерального государственного бюджетного учреждения науки

194223, г. Санкт-Петербург

188663, г.п. Кузьмоловский, Ленинградская область

Goncharov Nikolay Vasil’evich

194223, Saint Petersburg

188663, p.o. Kuz’molovsky, Leningrad Region

ngoncharov@gmail.comФедеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт эволюционной физиологии и биохимии им. И.М. Сеченова РАНРоссияI.M. Sechenov Institute of Evolutionary Physiology and Biochemistry, Russian Academy of SciencesRussian FederationФедеральное государственное унитарное предприятие «НИИ гигиены, профпатологии и экологии человека» Федерального медико-биологического агентстваРоссияResearch Institute of Hygiene, Occupational Pathology and Human Ecology, Federal Medical Biological AgencyRussian FederationФедеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт эволюционной физиологии и биохимии им. И.М. Сеченова РАН; Федеральное государственное унитарное предприятие «НИИ гигиены, профпатологии и экологии человека» Федерального медико-биологического агентстваРоссияI.M. Sechenov Institute of Evolutionary Physiology and Biochemistry, Russian Academy of Sciences; Research Institute of Hygiene, Occupational Pathology and Human Ecology, Federal Medical Biological AgencyRussian Federation202031072020041220Copyright © Белинская Д.А., Челуснова Ю.В., Абзианидзе В.В., Гончаров Н.В., 20202020Белинская Д.А., Челуснова Ю.В., Абзианидзе В.В., Гончаров Н.В.Belinskaya D.A., Chelusnova Y.V., Abzianidze V.V., Goncharov N.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.toxreview.ru/jour/article/view/318

/

Отравления фосфорорганическими соединениями (ФОС) занимают в общем числе экзотоксикозов одно из ведущих мест. Детоксикацию ФОС на первом этапе попадания в организм можно обеспечить с помощью ДНК- или РНК-аптамеров, связывающих яд в кровеносном русле. В настоящее время основным способом поиска аптамеров является экспериментальный метод систематической эволюции лигандов экспоненциальным обогащением (SELEX). В процессе селекции аптамеров необходима иммобилизация молекулы-мишени через стрептавидин-биотиновый комплекс. Поскольку молекула отравляющего вещества имеет небольшие размеры, для увеличения ее доступности для связывания с аптамером необходимо использование спейсера между ФОС и биотином. Цель данной работы – на примере параоксона оптимизировать процедуру селекции аптамеров к ФОС путем увеличения доступности иммобилизованной через стрептавидин-биотиновый комплекс молекулы отравляющего вещества. Для этого методами молекулярного моделирования были протестированы три спейсера между ФОС и биотином: три звена полиэтиленгликоля (3-ПЭГ), четыре звена полиэтиленгликоля (4-ПЭГ) и аминогексил. Конформация комплекса биотинилированного параоксона со стрептавидином и процесс взаимодействия параоксона со связывающим фрагментом аптамера были смоделированы методами молекулярного докинга и молекулярной динамики. Оценка возможности биотини- лированного параоксона связаться с аптамером была проведена путем анализа площади поверх- ности параоксона, доступной растворителю, а также с помощью расчета свободных энергий связывания. Было показано, что только в случае использования аминогексила иммобилизован- ный параоксон может связаться с аптамером. На заключительном этапе был проведен синтез параоксона, связанного с биотином через аминогексил.

Poisoning with organophosphorus compounds occupy one of the leading places in exotoxicosis. At the first stage, the detoxification of organophosphates can be provided with the help of DNA or RNA aptamers that bind the poison in the bloodstream. Currently, the main method of searching for aptamers is the experimental method of systematic evolution of ligands by exponential enrichment (SELEX). In the process of aptamer selection, the target molecule must be immobilized via the streptavidin-biotin complex. Since the poison molecule is small in size, to increase its availability for binding to aptamer, it is necessary to use a spacer between organophosphorus compounds and biotin. The aim of this work was to optimize the selection of aptamers for organophosphorus compounds by increasing the availability of a poison molecule immobilized via the streptavidin-biotin complex on the example of paraoxon. For this purpose, three spacers between organophosphorus compounds and biotin were tested using molecular modeling methods: three links of polyethylene glycol (3-PEG), four links of polyethylene glycol (4-PEG) and aminohexyl. The conformation of the biotinylated paraoxon complex with streptavidin and the interaction of paraoxon with the binding fragment of the aptamer were modeled using molecular docking and molecular dynamics methods. The ability of biotinylated paraoxon to bind to the aptamer has been evaluated by analyzing the surface area of the paraoxon available to the solvent, as well as by calculating the free binding energies. It has been shown that only in the case of aminohexyl immobilized paraoxon can contact the aptamer. At the final stage, the synthesis of paraoxon bound to biotin via aminohexyl was carried out.

фосфорорганические соединенияселекция аптамеровиммобилизациямолекулярное моделированиесинтезorganophosphorus compoundsselection of aptamersimmobilizationmolecular modelingsynthesisReferencesKing A.M., Aaron C.K. Organophosphate and carbamate poisoning. Emerg. Med. Clin. North Am. 2015; 33: 133-51.King A.M., Aaron C.K. Organophosphate and carbamate poisoning. Emerg. Med. Clin. North Am. 2015; 33: 133-51.Ku T.H., Zhang T., Luo H., Yen T.M., Chen P.W., Han Y. et al. Nucleic acid aptamers: an emerging tool for biotechnology and biomedical sensing. Sensors (Basel) 2015; 15: 16281-313.Ku T.H., Zhang T., Luo H., Yen T.M., Chen P.W., Han Y. et al. Nucleic acid aptamers: an emerging tool for biotechnology and biomedical sensing. Sensors (Basel) 2015; 15: 16281-313.Darmostuk M., Rimpelova S., Gbelcova H., Ruml T. Current approaches in SELEX: An update to aptamer selection technology. Biotechnol. Adv. 2015; 33: 1141-61.Darmostuk M., Rimpelova S., Gbelcova H., Ruml T. Current approaches in SELEX: An update to aptamer selection technology. Biotechnol. Adv. 2015; 33: 1141-61.Bing T., Yang X., Mei H., Cao Z., Shangguan D. Conservative secondary structure motif of streptavidin-binding aptamers generated by different laboratories. Bioorg. Med. Chem. 2010; 18(5): 1798-805.Bing T., Yang X., Mei H., Cao Z., Shangguan D. Conservative secondary structure motif of streptavidin-binding aptamers generated by different laboratories. Bioorg. Med. Chem. 2010; 18(5): 1798-805.Morris G.M., Goodsell D.S., Halliday R.S., Huey R., Hart W.E., Belew R.K. et al. Automated docking using a Lamarckian genetic algorithm and an empirical binding free energy function. J. Comput. Chem. 1998; 19: 1639-62.Morris G.M., Goodsell D.S., Halliday R.S., Huey R., Hart W.E., Belew R.K. et al. Automated docking using a Lamarckian genetic algorithm and an empirical binding free energy function. J. Comput. Chem. 1998; 19: 1639-62.Froimowitz M. HyperChem: a software package for computational chemistry and molecular modeling. Biotechniques 1993; 14: 1010-13.Froimowitz M. HyperChem: a software package for computational chemistry and molecular modeling. Biotechniques 1993; 14: 1010-13.Berman H.M., Westbrook J., Feng Z., Gilliland G., Bhat T.N., Weissig H. et al. The Protein Data Bank. Nucleic Acids Res. 2000; 28: 235-42.Berman H.M., Westbrook J., Feng Z., Gilliland G., Bhat T.N., Weissig H. et al. The Protein Data Bank. Nucleic Acids Res. 2000; 28: 235-42.Le Trong I., Wang Z., Hyre D.E., Lybrand T.P., Stayton P.S., Stenkamp R.E. Streptavidin and its biotin complex at atomic resolution. Acta Crystallogr. D. Biol. Crystallogr. 2011; 67: 813-21.Le Trong I., Wang Z., Hyre D.E., Lybrand T.P., Stayton P.S., Stenkamp R.E. Streptavidin and its biotin complex at atomic resolution. Acta Crystallogr. D. Biol. Crystallogr. 2011; 67: 813-21.Abraham M.J., Murtola T., Schulz R., Páll S., Smith J.C., Hess B. et al. GROMACS: High performance molecular simulations through multi-level parallelism from laptops to supercomputers. SoftwareX. 2015; 1-2: 19-25.Abraham M.J., Murtola T., Schulz R., Páll S., Smith J.C., Hess B. et al. GROMACS: High performance molecular simulations through multi-level parallelism from laptops to supercomputers. SoftwareX. 2015; 1-2: 19-25.Zhu X., Lopes P.E., Mackerell A.D. Jr. Recent developments and applications of the CHARMM force fields. Wiley Interdiscip. Rev. Comput. Mol. Sci. 2012; 2: 167-85.Zhu X., Lopes P.E., Mackerell A.D. Jr. Recent developments and applications of the CHARMM force fields. Wiley Interdiscip. Rev. Comput. Mol. Sci. 2012; 2: 167-85.Berendsen H.J.C., Postma J.P.M., van Gunsteren W.F., Hermans J. Interaction models for water in relation to protein hydration. In: Pullman B., ed. Intermolecular forces. Dordrecht: Reidel D. Publishing Company; 1981: 331-42.Berendsen H.J.C., Postma J.P.M., van Gunsteren W.F., Hermans J. Interaction models for water in relation to protein hydration. In: Pullman B., ed. Intermolecular forces. Dordrecht: Reidel D. Publishing Company; 1981: 331-42.Bussi G., Donadio D., Parrinello M. Canonical sampling through velocity rescaling. J. Chem. Phys. 2007; 126: 014101.Bussi G., Donadio D., Parrinello M. Canonical sampling through velocity rescaling. J. Chem. Phys. 2007; 126: 014101.Berendsen H.J.C., Postma J.P.M., di Nola A., van Gunsteren W.F., Haak J.R. Molecular dynamics with coupling to an external bath. J. Chem. Phys. 1984; 81: 3684-90.Berendsen H.J.C., Postma J.P.M., di Nola A., van Gunsteren W.F., Haak J.R. Molecular dynamics with coupling to an external bath. J. Chem. Phys. 1984; 81: 3684-90.Darden T., York D., Pedersen L. Particle mesh Ewald: An NŽlog(N) method for Ewald sums in large systems. J. Chem. Phys. 1993; 3: 10089-92.Darden T., York D., Pedersen L. Particle mesh Ewald: An NŽlog(N) method for Ewald sums in large systems. J. Chem. Phys. 1993; 3: 10089-92.Hess B., Bekker H., Berendsen H.J.C., Fraaije J.G.E.M. LINCS: A linear constraint solver for molecular simulations. J. Comp. Chem. 1997; 8: 1463-73.Hess B., Bekker H., Berendsen H.J.C., Fraaije J.G.E.M. LINCS: A linear constraint solver for molecular simulations. J. Comp. Chem. 1997; 8: 1463-73.Genheden S., Ryde U. The MM/PBSA and MM/GBSA methods to estimate ligandbinding affinities. Expert Opin. Drug Discov. 2015; 10: 449-61.Genheden S., Ryde U. The MM/PBSA and MM/GBSA methods to estimate ligandbinding affinities. Expert Opin. Drug Discov. 2015; 10: 449-61.Kumari R., Kumar R. Open Source Drug Discovery Consortium, Lynn A. g_mmpbsa – a GROMACS tool for high-throughput MM-PBSA calculations. J. Chem. Inf. Model. 2014; 54: 1951-62.Kumari R., Kumar R. Open Source Drug Discovery Consortium, Lynn A. g_mmpbsa – a GROMACS tool for high-throughput MM-PBSA calculations. J. Chem. Inf. Model. 2014; 54: 1951-62.Shizuka M., Schrader T.O., Snapper M.L. Synthesis of isoprostanyl phosphatidylcholine and isoprostanyl phosphatidylethanolamine. J. Org. Chem. 2006; 71(4): 1330-4Shizuka M., Schrader T.O., Snapper M.L. Synthesis of isoprostanyl phosphatidylcholine and isoprostanyl phosphatidylethanolamine. J. Org. Chem. 2006; 71(4): 1330-4Itoyama K., Tanibe H., Hayashi T., Ikada Y. Spacer effects on enzymatic activity of papain immobilized onto porous chitosan beads. Biomaterials 1994; 15(2): 107-12.Itoyama K., Tanibe H., Hayashi T., Ikada Y. Spacer effects on enzymatic activity of papain immobilized onto porous chitosan beads. Biomaterials 1994; 15(2): 107-12.Han X., Liu Y., Wu F.-G., Jansensky J., Kim T., Wang Z. et al. Different interfacial behaviors of peptides chemically immobilized on surfaces with different linker lengths and via different termini. J. Phys. Chem. B 2014; 118: 2904-12.Han X., Liu Y., Wu F.-G., Jansensky J., Kim T., Wang Z. et al. Different interfacial behaviors of peptides chemically immobilized on surfaces with different linker lengths and via different termini. J. Phys. Chem. B 2014; 118: 2904-12.Panman W., Japrung D., Pongprayoon P. Exploring the interactions of a DNA aptamer with human serum albumins: simulation studies. J. Biomol. Struct. Dyn. 2017; 35(11): 2328-36.Panman W., Japrung D., Pongprayoon P. Exploring the interactions of a DNA aptamer with human serum albumins: simulation studies. J. Biomol. Struct. Dyn. 2017; 35(11): 2328-36.Silva D., Missailidis S. Analyzing models for interactions of aptamers to proteins. AIP Conf. Proc. 2014; 1618: 594-7.Silva D., Missailidis S. Analyzing models for interactions of aptamers to proteins. AIP Conf. Proc. 2014; 1618: 594-7.Goncharov N.V., Belinskaia D.A., Shmurak V.I., Terpilowski M.A., Jenkins R.O., Avdonin P.V. Serum albumin binding and esterase activity: mechanistic interactions with organophosphates. Molecules 2017; 22: E1201.Goncharov N.V., Belinskaia D.A., Shmurak V.I., Terpilowski M.A., Jenkins R.O., Avdonin P.V. Serum albumin binding and esterase activity: mechanistic interactions with organophosphates. Molecules 2017; 22: E1201.Trapaidze A., Herault J.P., Herbert J.M., Bancaud A., Gue A.M. Investigation of the selectivity of thrombin-binding aptamers for thrombin titration in murine plasma. Biosensors and Bioelectronics 2016; 78: 58-66.Trapaidze A., Herault J.P., Herbert J.M., Bancaud A., Gue A.M. Investigation of the selectivity of thrombin-binding aptamers for thrombin titration in murine plasma. Biosensors and Bioelectronics 2016; 78: 58-66.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.