Biocatalysts based on papain associates with chitosan nanoparticles

Светлана Сергеевна Гончарова; Юлия Александровна Редько; Мария Сергеевна Лавлинская; Андрей Викторович Сорокин; Марина Геннадьевна Холявка; Максим Сергеевич Кондратьев; Валерий Григорьевич Артюхов

doi:10.17308/kcmf.2023.25/11098

Светлана Сергеевна Гончарова Воронежский государственный университет, Университетская пл., 1, Воронеж 394018, Российская Федерация https://orcid.org/0000-0003-3381-2008
Юлия Александровна Редько Воронежский государственный университет, Университетская пл., 1, Воронеж 394018, Российская Федерация https://orcid.org/0009-0008-8318-8833
Мария Сергеевна Лавлинская Воронежский государственный университет, Университетская пл., 1, Воронеж 394018, Российская Федерация; Севастопольский государственный университет, ул. Университетская, 33, Севастополь 299053, Российская Федерация https://orcid.org/0000-0001-9058-027X
Андрей Викторович Сорокин Воронежский государственный университет, Университетская пл., 1, Воронеж 394018, Российская Федерация; Севастопольский государственный университет, ул. Университетская, 33, Севастополь 299053, Российская Федерация https://orcid.org/0000-0001-5268-9557
Марина Геннадьевна Холявка Воронежский государственный университет, Университетская пл., 1, Воронеж 394018, Российская Федерация; Севастопольский государственный университет, ул. Университетская, 33, Севастополь 299053, Российская Федерация https://orcid.org/0000-0002-1390-4119
Максим Сергеевич Кондратьев Воронежский государственный университет, Университетская пл., 1, Воронеж 394018, Российская Федерация; Институт биофизики клетки Российской академии наук, ул. Институтская, 3, Пущино 142290, Российская Федерация https://orcid.org/0000-0001-6717-4206
Валерий Григорьевич Артюхов Воронежский государственный университет, Университетская пл., 1, Воронеж 394018, Российская Федерация https://orcid.org/0000-0002-5872-8382

DOI: https://doi.org/10.17308/kcmf.2023.25/11098

Ключевые слова: наночастицы, папаин, хитозан, ассоциирование

Аннотация

Работа направлена на разработку и исследование биокатализаторов на основе ассоциатов папаина с наночастицами хитозана. Получены наночастицы среднемолекулярного и высокомолекулярного хитозанов без и с добавлением аскорбиновой кислоты.
При образовании ассоциатов папаина с наночастицами, сформированными в присутствии аскорбиновой кислоты,
его каталитическая способность увеличилась на 3 % для среднемолекулярного хитозана и на 16 % для
высокомолекулярного хитозана. Свободный фермент после 168 часов инкубации в 0.05 М трис-HCl буфере (рН 7.5) при 37 °С сохранял 15 % каталитической активности, в то время как ассоциаты с наночастицами хитозана проявляли ~ 30 %, а комплекс папаина с наночастицами хитозана, полученными с добавлением аскорбиновой кислоты, – 40 % своей каталитической способности.
Смоделированы связи и взаимодействия, образующиеся внутри комплекса хитозан-аскорбиновая кислота-папаин.
Предлагаемые нами биокатализаторы обладают высокими возможностями для эффективного использования в
области косметологии, биомедицины и фармации

Скачивания

Данные скачивания пока не доступны.

Биографии авторов

Светлана Сергеевна Гончарова, Воронежский государственный университет, Университетская пл., 1, Воронеж 394018, Российская Федерация

м. н. с. кафедры биофизики и биотехнологии, Воронежский государственный университет (Воронеж, Российская Федерация).

Юлия Александровна Редько, Воронежский государственный университет, Университетская пл., 1, Воронеж 394018, Российская Федерация

магистрант кафе-
дры биофизики и биотехнологии, Воронежский
государственный университет (Воронеж, Россий-
ская Федерация).

Мария Сергеевна Лавлинская, Воронежский государственный университет, Университетская пл., 1, Воронеж 394018, Российская Федерация; Севастопольский государственный университет, ул. Университетская, 33, Севастополь 299053, Российская Федерация

к. х. н., с. н. с. кафедры биофизики и биотехнологии, Воронежский
государственный университет, с. н. с. НИЛ «Биоресурнсный потенциал приморской территории»,
Севастопольский государственный университет (Севастополь, Российская Федерация).

Андрей Викторович Сорокин, Воронежский государственный университет, Университетская пл., 1, Воронеж 394018, Российская Федерация; Севастопольский государственный университет, ул. Университетская, 33, Севастополь 299053, Российская Федерация

аспирант кафедры высокомолекулярных соединений и коллоидной
химии, Воронежский государственный университет, м. н. с. кафедры биофизики и биотехнологии,
Воронежский государственный университет, м. н. с. НИЛ «Биоресурнсный потенциал приморской территории», Севастопольский государственный университет (Севастополь, Российская Федерация).

Марина Геннадьевна Холявка, Воронежский государственный университет, Университетская пл., 1, Воронеж 394018, Российская Федерация; Севастопольский государственный университет, ул. Университетская, 33, Севастополь 299053, Российская Федерация

д. б. н., профессор
кафедры биофизики и биотехнологии, Воронежский государственный университет (Воронеж,
Российская Федерация), профессор кафедры «Физика» Севастопольского государственного университета (Севастополь, Российская Федерация).

Максим Сергеевич Кондратьев, Воронежский государственный университет, Университетская пл., 1, Воронеж 394018, Российская Федерация; Институт биофизики клетки Российской академии наук, ул. Институтская, 3, Пущино 142290, Российская Федерация

к. ф.-м. н., заведующий лабораторией структуры и динамики
биомолекулярных систем, Институт биофизики
клетки РАН – обособленное подразделение ФИЦ
«Пущинский научный центр биологических исследований РАН» (Пущино, Российская Федерация).

Валерий Григорьевич Артюхов, Воронежский государственный университет, Университетская пл., 1, Воронеж 394018, Российская Федерация

д. б. н., профессор, заведующий кафедрой биофизики и биотехнологии, Воронежский государственный университет (Воронеж, Российская Федерация).

Литература

Hillaireau H., Couvreur P. Nanocarriers’ entry into the cell: relevance to drug delivery. Cellular and Molecular Life Sciences. 2009,66: 2873–2896. https://doi.org/10.1007/s00018-009-0053-z

Ashurov N. S., Yugai S. M., Shakhobutdinov S. S…. Atakhanov A. A. Physicochemical studies of the structure of chitosan and chitosan ascorbate nanoparticles. Russian Chemical Bulletin. 2022;71: 227–231. https://doi.org/10.1007/s11172-022-3401-x

Medvedeva I. V., Medvedeva O. M., Studenok A. G., Studenok G. A., Tseytlin, E. M. New composite materials and processes for chemical, phisico-chemical and biochemical technologies of water purification. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii Khimiya Khimicheskaya Tekhnologiya (ChemChemTech). 2022; 66(1): 6–27. https://doi.org/10.6060/ivkkt.20236601.6538

Egebro Birk S., Boisen A., Hagner Nielsen L. Polymeric nano- and microparticulate drug delivery systems for treatment of biofilms. Advanced Drug Delivery Reviews. 2021;174: 30–52. https://doi.org/10.1016/j.addr.2021.04.005

Maevskaya E. N., Dresvyanina E. N., Shabunin A. S., … Zinoviev E. V. Preparation and study of the properties of hemostatic materials based on chitosan and chitin nanofibrils*. Rossiiskie Nanotekhnologii. 2020;15(4): 493–504. (In Russ.). https://doi.org/10.1134/S199272232004007X

Kolesov S. V., Gurina M. S., Mudarisova R. K. Specific features of the formation of aqueous nanodispersions of interpolyelectrolyte complexes based of chitosan and chitosan succinamide. Russian Journal of General Chemistry. 2018;88: 1694–1698. https://doi.org/10.1134/S1070363218080224

Cheung R., Ng T., Wong J., Chan W. Chitosan: an update on potential biomedical and pharmaceutical applications. Marine Drugs. 2015;13: 5156–5186. https://doi.org/10.3390/md13085156

Popova E. V., Tikhomirova V. E., Beznos O. V., Grigoriev Yu. V., Chesnokova N. B., Kost O. A. Chitosan nanoparticles – the drug delivery system to the anterior segment of the eye. Moscow University Chemistry Bulletin. 2023;64(2): 141–151. https://doi.org/10.55959/MSU0579-9384-2-2023-64-2-141-151

Silva-López R. E., Gonçalves R. N. Therapeutic proteases from plants: biopharmaceuticals with multiple applications. Journal of Applied Biotechnology & Bioengineering. 2019;6(2): 101–109. https://doi.org/10.15406/jabb.2019.06.00180

Pankova S. M., Sakibaev F. A., Holyavka M. G., Artyukhov V. G. A possible role of charged amino-acid clusters on the surface of cysteine proteases for preserving activity when binding with polymers. Biophysics. 2022;67(1): 8–14. https://doi.org/10.1134/S0006350922010146

Hu R., Chen G., Li Y. Production and characterization of antioxidative hydrolysates and peptides from corn gluten meal using papain, ficin, and bromelain. Molecules. 2020;25(18): 4091. https://doi.org/10.3390/molecules25184091

Koroleva V. A. , Olshannikova S. S. , Holyavka M. G., Artyukhov V. G. Thermal inactivation of cysteine proteases: the key stages. Biophysics. 2021;66(3): 364–372. https://doi.org/10.1134/S0006350921030088

Kong Y. R., Jong Y. X., Balakrishnan M., … Khaw K. Y. Beneficial role of Carica papaya extracts and phytochemicals on oxidative stress and related diseases: a mini review. Biology. 2021;10(4): 20. https://doi.org/10.3390/biology10040287

Semashko T. A., Lysogorskaya E. N., Oksenoit E. S., Bacheva A. V., Filippova I. Yu. Chemoenzymatic synthesis of new fluorogenous substrates for cysteine proteases of the papain family. Russian Journal of Bioorganic Chemistry. 2008;34(3): 339–343. https://doi.org/10.1134/S1068162008030151

Szeto Y. S., Hu Z. Method for preparing chitosan nano-particles. Patent no US2008/0234477 A1. Publ. 25.09.2008.

Olshannikova S.S., Re d ko Yu . A . , Lavlinskaya M. S., Sorokin A. V., Kholyavka M. G., Artyukhov V. G. reparation of papain complexes with chitosan microparticles and evaluation of their stability using the level of enzyme activity. Khimiko-Farmatsevticheskii Zhurnal. 2021;55(11): 51-55. (In Russ., abstract in Eng.). https://doi.org/10.30906/0023-1134-2021-55-11-51-55

Koroleva V. A., Holyavka M. G., Olshannikova S. S., Artyukhov V. G. Formation of ficine complexes with chitozan nanoparticles with a high level of proteolytic activity . Russian Journal of Biopharmaceuticals. 2018;10(4): 36–40. (In Russ., abstract in Eng.). Available at: https://elibrary.ru/item.asp?id=36834674

Garcìa-Carreño F. L. The digestive proteases of langostilla (pleuroncodes planipes, decapoda): their partial characterization, and the effect of feed on their compositionю Comparative Biochemistry and Physiology Part B: Comparative Biochemistry. 1992;103: 575–578. https://doi.org/10.1016/0305-0491(92)90373-Y

Sabirova A. R., Rudakova N. L., Balaban N. P., … Sharipova M. R. A novel secreted metzincin metalloproteinase from Bacillus intermedius. FEBS Letters. 2010;584 (21): 4419–4425. https://doi.org/10.1016/j.febslet.2010.09.049

Olshannikova S. S., Malykhina N. V., Lavlinskaya M. S., … Artyukhov V. G. Novel immobilized biocatalysts based on cysteine proteases bound to 2-(4-acetamido-2-sulfanilamide) chitosan and research on their structural features. Polymers. 2022;14: 3223. https://doi.org/10.3390/polym14153223

Burri B., Jacob R. Human metabolism and the requirement for vitamin C. In: Vitamin C in health and disease. Packer L., Fuchs J. (eds.). New York: Marcel Dekker Inc., 1997; 25–58.

Arrigoni O., De Tullio M. C. Ascorbic acid: much more than just an antioxidant. Biochimica et Biophysica Acta. 2002;1569: 1–9. https://doi.org/10.1016/s0304-4165(01)00235-5

Homaei A. A., Sajedi R. H., Sariri R., Seyfzadeh S., Stevanto R. Cysteine enhances activity and stability of immobilized papain. Amino Acids. 2010;38: 937–942. https://doi.org/10.1007/s00726-009-0302-3

Storer A. C., Menrad R. Chapter 419 – Papain. In: Handbook of Proteolytic Enzymes. Rawlings N. D., Salvesen G. (eds.). Academic Press; 2013. Vol. 2, pp. 1858–1861. https://doi.org/10.1016/b978-0-12-382219-2.00418-x

Kyoichi O., Ohnishi T., Tanaka S. Activation and inhibition of papain. The Journal of Biochemistry. 1962;51(5): 372–374. https://doi.org/10.1093/oxfordjournals.jbchem.a127547

Purr A. The activation phenomena of papain and cathepsin. Biochemical Journal. 1935;29(1): 13–20. https://doi.org/10.1042/bj0290013

Kanazawa H., Fujimoto S., Ohara A. On the mechanism of inactivation of active papain by ascorbic acid in the presence of cupric ions. Biological and Pharmaceutical Bulletin. 1994;17(6): 789–793. https://doi.org/10.1248/bpb.17.789

Rebouche C. J. Ascorbic acid and carnitine biosynthesis. The American Journal of Clinical Nutrition. 1991;54(6): 1147S–1152S. https://doi.org/10.1093/ajcn/54.6.1147s

Carr A. C., Frei B. Toward a new recommended dietary allowance for vitamin C based on antioxidant and health effects in humans. The American Journal of Clinical Nutrition. 1999;69(6): 1086–1107. https://doi.org/10.1093/ajcn/69.6.1086

Gegel N. O., Zudina I. V., Malinkina O. N., Shipovskaya A. B. Effect of ascorbic acid isomeric forms on antibacterial activity of its chitosan salts. Microbiology. 2018;87(5): 732–737. https://doi.org/10.1134/S0026261718050107