Разработка гибридных биокатализаторов на основе комплексов фицина и папаина с сульфатом хитозана и изучение их структурных особенностей
Аннотация
Фицин и папаин – протеолитические ферменты растительного происхождения, применяемые в биомедицине и промышленности. Растворимые формы ферментов имеют ряд недостатков, например, быстрая инактивация, микробная деградация, автолиз и другие. Благодаря иммобилизации энзимов на полисахаридах можно исключить названные проблемы.
В связи с вышесказанным, цель исследования заключалась в разработке методики получения комплексов фицина и папаина с сульфатом хитозана с различными молекулярными массами и изучении их структурных особенностей
Проведен синтез сульфата хитозана с различными значениями молекулярных масс: 200, 350 и 600 кДа. Разработана методика комплексообразования фицина и папаина с сульфатом хитозана. Исследование содержания белка в иммобилизованных препаратах фицина и папаина проводили по методу Лоури, протеазную активность образцов определяли по скорости гидролиза субстрата – азоказеина.
Из анализа результатов экспериментов in silico вытекает, что взаимодействие фицина и папаина с сульфатом хитозана обусловлено образованием водородных связей между компонентами, а также электростатическими и гидрофобными взаимодействиями. Связи и взаимодействия с сульфатом хитозана образуются, в том числе, с участием аминокислотных остатков, образующих активный центр энзимов (Cys25 и His162 для фицина, Cys25 и His159 для папаина) или находящихся в непосредственной близости от них.
Выявлено, что оптимальное соотношение таких параметров, как содержание белка (в мг на г носителя) и общей активности (в ед. на мл раствора) полученных комплексов фицина и папаина, наблюдается при их взаимодействии с носителем, молекулярная масса которого составляет 600 кДа.
Предложенный подход открывает широкие перспективы для его внедрения в практику иммобилизации протеиназ благодаря предсказанию структурных особенностей биокатализатора на основе in silico расчетов, не требующих использования дорогостоящих реактивов.
Скачивания
Литература
Salvesen G.S., Hempel A., Coll N.S., Protease signaling in animal and plant-regulated cell death, FEBS Journal, 2015; 283: 2577-2598. https://doi.org/10.1111/febs.13616
Silva M.Z.R., Oliveira J.P.B., Ramos M.V., Farias D.F., de Sa Ch. A., Ribeiro J.A.C., Silva A.F.B., Sousa J.S., Zambelli R.A., Silva A.C., Furtado G.P., Grangeiro Th.B., Vasconcelos M.S., Silveira S.R., Freitas C.D.T., Biotechnological potential of a cysteine protease (CpCP3) from Calot-ropis procera latex for cheesemaking, Food Chemistry, 2020; 307: 125574. https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2019.125574
Holyavka M., Faizullin D., Koroleva V., Olshannikova S., Zakhartchenko N., Zuev Yu., Kondratyev M., Zakharova E., Artyukhov V., Novel biotechnological formulations of cysteine proteases, immobilized on chitosan. Structure, stability and activity, International Journal of Biologi-cal Macromolecules, 2021; 180: 161-176. https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2021.03.016
Secchi G., Role of protein in cosmetics, Clinics in Dermatology, 2008; 26; 321-325. https://doi.org/10.1016/j.clindermatol.2008.04.004
Baidamshina D.R., Koroleva V.A., Trizna E.Yu., Pankova S.M., Agafonova M.N., Chirkova M.N., Vasileva O.S., Akhmetov N., Shubina V.V., Porfiryev A.G., Semenova E.V., Sachenkov O.A., Bogachev M.I., Artyukhov V.G., Baltina T.V., Holyavka M.G., Kayumova A.R., An-ti-biofilm and wound-healing activity of chitosan-immobilized Ficin, International Journal of Biological Macromolecules, 2020; 164: 4205-4217. https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2020.09.030
McKerrow J.H., The diverse roles of cysteine proteases in parasites and their suitability as drug targets, PLoS Negl Trop Dis, 2018; 12: e0005639. https://doi.org/10.1371/journal.pntd.0005639
Ariizumi T., Murata Sh., Fujisawa S. Isezaki M., Sato T., Oishi E., Taneno A., Ichii O., Maekawa N., Okagawa T., Konnai S., Ohashi K., In vitro evaluation of a cys-teine protease from poultry red mites, Demanyssus gallinae, as a vaccine antigen for chickens, Poultry Science, 2022;101:101638. https://doi.org/10.1016/j.psj.2021.101638
Baidamshina D.R., Koroleva V.A., Olshannikova S.S., Trizna E.Yu., Bogachev M.I., Artyukhov V.G., Holyavka M.G., Kayumov A.R., Biochemical properties and anti-biofilm activity of chitosan-immobilized papain, Marine Drugs, 2021; 19: 197. https://doi.org/10.3390/md19040197
Gagaoua M., Dib A.L., Lakhdara N., Lamri M., Botineştean Ch., Lorenzo J.M., Artificial meat tenderization using plant cysteine proteases, Current Opinion in Food Science, 2021; 38: 177-188. https://doi.org/10.1016/j.cofs.2020.12.002
Kong Y.R., Jong Y.X., Balakrishnan M., Bok Z.K, Weng J.K.К., Tay K.C., Goh B.H., Ong Y.S., Chan K.G., Lee L.H., Khaw K.Y., Beneficial Role of Carica pa-paya Extracts and Phytochemicals on Oxi-dative Stress and Related Diseases: A Mini Review, Biology, 2021; 10: 287-307. https://doi.org/10.3390/biology10040287
Armutcu С., Çorman M. E., Bayram E., Uzun L., Purification of Fab and Fc us-ing papain immobilized cryogel bioreactor separator system, Journal of Chromatography, 2020; 1158: 122396. https://doi.org/10.1016/j.jchromb.2020.122396
Ol’shannikova S. S., Red’ko Yu. A., Lavlinskaya M. S., Sorokin A. V., Holyavka M. G., Artyukhov V. G., Preparation of papain complexes with chitosan microparticles and evaluation of their stability using the enzyme activity level, Pharmaceutical Chemistry Journal, 2022; 55(11): 1240-1244. https://doi.org/10.1007/s11094-022-02564-8
Morellon-Sterling R., El-Siar H., Tavano O.L. Berenguer-Murcia A., Fer-nández-Lafuente R., Ficin: A protease ex-tract with relevance in biotechnology and biocatalysis, International Journal of Bio-logical Macromolecules, 2020; 162: 394-404. https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2020.06.144
Poltronieri P., Plant Immunity and pathogen interfering mechanisms: effectors and bodyguards, International Journal of Plant Research, 2017; 7: 21-28. https://doi.org/10.5923/j.plant.20170701.04
Kaur N., Bhardwaj P., Singh G., Ar-ya S.K., Applicative Insights on Nascent Role of Biochar Production, Tailoring and Immobilization in Enzyme Industry -A Re-view, Process Biochem., 2021; 107: 153-163. https://doi.org/10.1016/j.procbio.2021.05.017
Das R., Dwevedi A., Kayastha A.M., Chapter 1 – Current and future trends on polymer-based enzyme immobilization. In Polymeric Supports for Enzyme Immobilization ed. by A. Dwevedi. London, Academic Press, 2021; pp. 1-25. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-819206-1.00004-1
Kou Sh., Peters L., Mucalo M., Chi-tosan: A review of molecular structure, bioactivities and interactions with the human body and micro-organisms, Carbohyd. Polym., 2022; 282: 119132. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2022.119132
Sorokin A., Lavlinskaya M., Synthesis of the superabsobents enriched in chitosan derivatives with excellent water absorption properties, Polymer Bulletin, 2022; 79: 407-427. https://doi.org/10.1007/s00289-020-03521-9
Banshee P. S., Selvakumara D., Kadirvelub К., Kumara N. S., Chitosan as an environment friendly biomaterial – a review on recent modifications and appli-cations, International Journal of Biological Macromolecules, 2020; 150: 1072-1083. https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2019.10.113
Huang R., Mendis Е., Kim SeKwon, Factors affecting the free radical scavenging behavior of chitosan sulfate, International Journal of Biological Macromolecules, 2005; 36: 120-127. https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2005.05.001
Hu B., Guo Yu., Li H., Liu X., Fu Yu., Ding F., Recent advances in chitosan-based layer-by-layer biomaterials and their biomedical applications, Carbohyd. Polym., 2021; 271(118427): 17 p. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2021.118427
Khalid A.K., Alamry A., Recent advances of emerging green chitosan-based biomaterials with potential biomedical ap-plications: A review, Carbohyd. Res., 2021; 506: 108368. https://doi.org/10.1016/j.carres.2021.108368
Kasaai M. R., Calculation of Mark-Houwink-Sakurada (MHS) equation viscometric constants for chitosan in any sol-vent–temperature system using experimental reported viscosymetric constants data, Carbohyd. Polym., 2007; 68: 477-488. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2006.11.006
Lowry О.H., Rosebrough N.J., Faar A.L., Randall R.J., Protein measurement with the folin phenol reagent, J. Biol. Chem., 1951; 193: 265-275. https://doi.org/10.1016/S0021-9258(19)52451-6
Sabirova A.R., Rudakova N.L., Balaban N.P., Ilyinskaya O.N., Demidyuk I.V., Kostrov S.V., Rudenskaya G.N., Sharipova M.R., A novel secreted metzinc-in metalloproteinase from Bacillus intermedius, FEBS Lett., 2010; 584 (21): 4419-4425. https://doi.org/10.1016/j.febslet.2010.09.049
