ОСОБЕННОСТИ ИММОБИЛИЗАЦИИ ФОСФОРОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ ЧЕРЕЗ СТРЕПТАВИДИН-БИОТИНОВУЮ СИСТЕМУ ДЛЯ ЭКСПЕРИМЕНТОВ ПО СЕЛЕКЦИИ АПТАМЕРОВ

/

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.

фосфорорганические соединения, селекция аптамеров, иммобилизация, молекулярное моделирование, синтез

1. King A.M., Aaron C.K. Organophosphate and carbamate poisoning. Emerg. Med. Clin. North Am. 2015; 33: 133-51.

2. 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.

3. Darmostuk M., Rimpelova S., Gbelcova H., Ruml T. Current approaches in SELEX: An update to aptamer selection technology. Biotechnol. Adv. 2015; 33: 1141-61.

4. 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.

5. 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.

6. Froimowitz M. HyperChem: a software package for computational chemistry and molecular modeling. Biotechniques 1993; 14: 1010-13.

7. 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.

8. 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.

9. 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.

10. 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.

11. 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.

12. Bussi G., Donadio D., Parrinello M. Canonical sampling through velocity rescaling. J. Chem. Phys. 2007; 126: 014101.

13. 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.

14. 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.

15. 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.

16. Genheden S., Ryde U. The MM/PBSA and MM/GBSA methods to estimate ligandbinding affinities. Expert Opin. Drug Discov. 2015; 10: 449-61.

17. 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.

18. Shizuka M., Schrader T.O., Snapper M.L. Synthesis of isoprostanyl phosphatidylcholine and isoprostanyl phosphatidylethanolamine. J. Org. Chem. 2006; 71(4): 1330-4

19. 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.

20. 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.

21. 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.

22. Silva D., Missailidis S. Analyzing models for interactions of aptamers to proteins. AIP Conf. Proc. 2014; 1618: 594-7.

23. 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.

24. 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.