Разработка методики сорбционной иммобилизации бромелина на N-малеоилхитозане и изучение структурных особенностей полученного комплекса

  • Светлана Сергеевна Ольшанникова Воронежский государственный университет, Воронеж, Россия,
  • Наталья Викторовна Малыхина Voronezh State University, Voronezh, Russian Federation
  • Мария Сергеевна Лавлинская Воронежский государственный университет, Воронеж, Россия
  • Андрей Викторович Сорокин Воронежский государственный университет, Воронеж, Россия
  • Марина Геннадьевна Холявка Воронежский государственный университет, Воронеж, Россия
  • Анатолий Николаевич Лукин Воронежский государственный университет, Воронеж, Россия
  • Юлия Михайловна Вышкворкина Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет), Долгопрудный, Россия
  • Николай Евгеньевич Юдин Воронежский государственный университет, Воронеж, Россия
  • Валерий Григорьевич Артюхов Воронежский государственный университет, Воронеж, Россия
Ключевые слова: бромелин, N-малеоилхитозан, иммобилизация, комплексообразование, протеазная активность

Аннотация

Бромелин – протеолитический фермент, который нашел применение в медицине и промышленности. Однако использование свободных форм ферментов имеет свои недостатки, такие как их нестабильность к изменяющимся условиям среды, трудоёмкость и сложность отделения от исходных реагентов и продуктов реакции после завершения процесса. Решить эту проблему можно с помощью иммобилизации бромелина на полисахаридах.

В связи с вышесказанным, цель исследования заключалась в разработке методики сорбционной иммобилизации бромелина на N-малеоилхитозане с различными молекулярными массами и изучении структурных особенностей полученных комплексов.

Осуществлен синтез N-малеоилхитозана с различными молекулярными массами и степенями замещения. Предложена методика проведения сорбционной иммобилизации бромелина на N-малеоилхитозане. Взаимодействие между носителем и ферментом изучено методами ИК-спектроскопии и гибкого молекулярного докинга, выявлены функциональные группы полисахарида и аминокислоты поверхности глобул бромелина, принимающие участие в образовании комплекса. Измерение содержания белка в иммобилизованных препаратах бромелина проводили по модифицированному методу Лоури, протеазную активность образцов определяли на субстрате – азоказеине.

Показано, что взаимодействие бромелина и N-малеоилхитозана обусловлено электростатическими и гидрофобными взаимодействиями, а также образованием водородных связей между компонентами. Связи и взаимодействия с N-малеоилхитозаном образуются в том числе с участием аминокислотных остатков, составляющих активный центр энзима (Cys26 и His158), что отражается на протеолитической активности получаемых препаратов.

Установлено, что оптимальное соотношение содержания белка (мг на г носителя), общей активности (в ед на мл раствора) и удельной активности (в ед на мг белка) достигается в случае использования в качестве матрицы-носителя N-малеоилхитозана с молекулярной массой 200 кДа.

Полученные препараты бромелина, иммобилизованного на N-малеоилхитозане, могут стать основой для решения ряда проблем в биомедицине, возникающих при создании препаратов бактерицидного, противоотечного, антитромбического и противовирусного действий. Благодаря сочетанию относительно недорогих компонентов предлагаемый нами метод доступен для отечественных лабораторий и перспективен для дальнейшего применения в промышленности.

Скачивания

Данные скачивания пока не доступны.

Биографии авторов

Светлана Сергеевна Ольшанникова, Воронежский государственный университет, Воронеж, Россия,

аспирант кафедры биофизики и биотехнологии, Воронежский государственный университет, Воронеж

Наталья Викторовна Малыхина, Voronezh State University, Voronezh, Russian Federation

студент кафедры биофизики и биотехнологии, Воронежский государственный университет, Воронеж

Мария Сергеевна Лавлинская, Воронежский государственный университет, Воронеж, Россия

к.х.н., старший научный сотрудник кафедры биофизики и биотехнологии, Воронежский государственный университет, Воронеж; старший научный сотрудник НИЛ «Биоресурсный потенциал приморской территории», Севастопольский государственный университет; Севастополь

Андрей Викторович Сорокин, Воронежский государственный университет, Воронеж, Россия

 аспирант кафедры высокомолекулярных соединений и коллоидной химии, Воронежский государственный университет, Воронеж; младший научный сотрудник кафедры биофизики и биотехнологии, Воронежский государственный университет, Воронеж; младший научный сотрудник НИЛ «Биоресурсный потенциал приморской территории», Севастопольский государственный университет; Севастополь

Марина Геннадьевна Холявка, Воронежский государственный университет, Воронеж, Россия

д.б.н., профессор кафедры биофизики и биотехнологии, старший научный сотрудник кафедры биохимии и физиологии клетки Воронежский государственный университет, Воронеж; профессор кафедры «Физика» Севастопольского государственного университета, Севастополь

Анатолий Николаевич Лукин, Воронежский государственный университет, Воронеж, Россия

к.ф.-м.н., инженер Центра коллективного пользования научным оборудованием Воронежского государственного университета, Воронежский государственный университет, Воронеж

Юлия Михайловна Вышкворкина, Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет), Долгопрудный, Россия

студентка, Московский физико-технический институт, Долгопрудный

Николай Евгеньевич Юдин, Воронежский государственный университет, Воронеж, Россия

 магистрант обучения кафедры высокомолекулярных соединений и коллоидной химии, Воронежский государственный университет, Воронеж

Валерий Григорьевич Артюхов, Воронежский государственный университет, Воронеж, Россия

д.б.н., профессор, зав. кафедрой биофизики и биотехнологии, старший научный сотрудник кафедры биохимии и физиологии клетки Воронежский государственный университет, Воронеж

Литература

Sougata J., Subrata J. Functional Biomaterials. Springer. Singapore. 2022. 522 р.

Holyavka M., Faizullin Dzh., Koroleva V., Olshannikova S., Zakhartchenko N., Zuev Yu., Kondratyev M., Zakharova E., Artyukhov V. Novel bio-technological formulations of cysteine proteases, immobilized on chitosan. Structure, stability and activity. Int. J. Biol. Macromol. 2021; 180: 161-176. https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2021.03.016

Saha I., Rai V.K. Hyaluronic acid based microneedle array: Recent applications in drug delivery and cosmetology. Carbohyd.Polym. 2021; 267(118168): 14. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2021.118168

Huang Yu., Yu H., Wang L., Shen D., Ni Z., Ren Sh., Lu Ya., Chen X., Yang J., Hong Y. Research progress on cosmetic microneedle systems: Preparation, property and application. Eur. Polym. J. 2022; 163: 110942. https://doi.org/10.1016/j.eurpolymj.2021.110942

Slivkin D.A., Lapenko V.L., Safono-va O.A., Suslina S.N., Belenova A.S. Khitozan dlya farmatsii i medicyny (Chitosan for pharmacy and medicine). Vestnik VGU. Khimiya. Biologiya. Farmaciya. 2011; 2: 211-232. (in Russ.)

Varlamov V.P., Mysyakina I.S. Chi-tosan in biology, microbiology, medicine, and agriculture. Мicrobiology. 2018; 87(5): 712-715.

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. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2021.118427

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

Yu N., Li Yu., Wang Ya., Xu H., Ye F., Fu Q. Healing effect of carboxymethyl chitosan-plantamajoside hydrogel on burn wound skin. Burns. 2022; 48(4): 902-914 https://doi.org/10.1016/j.burns.2022.01.019

Wei Q., Wang Ya., Wang H. et al. Photoinduced adhesive carboxymethyl chitosan-based hydrogels with antibacterial and antioxidant properties for accelerating wound healing. Carbohyd. Polym. 2022; 278: 119000. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2021.119000

Ding Y., Liu D., Luo D., Sun X., Mei J., Wang Sh., Li Zh. Colloids and Sur-faces A: Physicochemical and Engineering Aspects. Colloid Surf A: Physicochem Engin Aspects. 2022; 2022: 128576. https://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2022.128576

Liu X., Xue F., Li Ch., Adhikari B. Physicochemical properties of films pro-duced using nanoemulsions stabilized by carboxymethyl chitosan-peptide conjugates and application in blueberry preservation. Int. J. Biol. Macromol. 2022; 202: 26-36. https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2021.12.186

Long Y., Hu Sh., Lei P., Li Y. Preparation of green silver nanoparticles with high antibacterial ability using N-maleoylchitosan and montmorillonite. Mat Lett. 2022; 316: 132044. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2022.132044

Hou X., Zhang W., He M., Lu Y., Lou K., Gao F. Preparation and characterization of β-cyclodextrin grafted N-maleoyl chitosan nanoparticles for drug delivery. Asian J. Pharm. Sci. 2017; 12(6): 558-568. https://doi.org/10.1016/j.ajps.2017.07.007

Zhu A., Pan Y., Liao T., Zhao F., Chen T. The synthesis and characterization of polymerizable and biocompatible N-maleic acylchitosan. J. Biomed. Mat. Res. B: Appl. Biomat. 2008; 85B (2): 489-495. https://doi.org/10.1002/jbm.b.30970

Sorokin A., Lavlinskaya M. Synthe-sis of the superabsobents enriched in chi-tosan derivatives with excellent water absorption properties. Polym. Bull. 2022; 79: 407-427. https://doi.org/10.1007/s00289-020-03521-9

Salvesen G.S., Hempel A., Coll N.S. Protease signaling in animal and plant-regulated cell death. FEBS J. 2015; 283(14): 2577-2598. https://doi.org/10.1111/febs.13616

Ol’shannikova S.S., Red’ko Yu.A., Lavlinskaya M.S., Sorokin A.V., Holyavka M.G., Artyukhov V.G. Preparation of Papa-in Complexes with Chitosan Microparticles and Evaluation of Their Stability Using the Enzyme Activity Level. Pharm. Chem. J. 2022; 55: 1240-1244. https://doi.org/10.1007/s11094-022-02564-8

Hikisz P., Bernasinska-Slomczewska J. Beneficial Properties of Bromelain. Nutrients. 2021; 13: 4313. https://doi.org/10.3390/nu13124313

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. Int. J. Biol. Macromol. 2020; 164: 4205-4217. https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2020.09.030

Holyavka M., Pankova S., Koroleva V. Vyshkvorkina Yu., Lukin A., Kon-dratyev M., Artyukhov V. Influence of UV radiation on molecular structure and catalyt-ic activity of free and immobilized bromelain, ficin and papain. J. Photochem. Photo-biol. B: Biol. 2019; 201: 111681. https://doi.org/10.1016/j.jphotobiol.2019.111681

Arefin P., Habib Sh., Arefin A., Arefin S. A review of clinical uses of Bro-melain and concerned purification methods to obtain its pharmacological effects efficiently. Int. J. Pharm. Res. 2020; 1: 469-478. https://doi.org/10.31838/ijpr/2020.SP1.066

Owoyele B.V., Bakare A.O., Ologe M.O. Review Article Bromelain: A Review of its Potential as a Therapy for the Man-agement of Covid-19, Niger. J. Physiol. Sci. 2020; 35: 10-19.

Kasaai M.R. Calculation of Mark-Houwink-Sakurada (MHS) equation viscometric constants for chitosan in any solvent-temperature system using experimental reported viscometric constants data. Carbo-hyd. 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 metzincin metalloproteinase from Bacillus intermedi-us. FEBS Lett. 2010; 584 (21): 4419-4425. https://doi.org/10.1016/j.febslet.2010.09.049

Glazunov V.P., Odinokov S.Е. IK-spektroskopicheskoe opredelenie stepeni atsetilirovaniya khitina (Determination of the Chitin Degree of Acetylation by IR spectroscopy), Bioorganicheskaya Khimiya. 1995; 21(11): 881-884. (in Russ.)

Lunkov A., Shagdarova B., Lyalina T., Dubinnyi M.A., Karpova N., Lopatin S., Il’ina A., Varlamov V. Simple method for ultrasound assisted «click» modification of azido-chitosan derivatives by CuAAC. Carbohyd. Polym. 2022; 282: 119109. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2022.119109

Опубликован
2022-07-26
Как цитировать
Ольшанникова, С. С., Малыхина, Н. В., Лавлинская, М. С., Сорокин, А. В., Холявка, М. Г., Лукин, А. Н., Вышкворкина, Ю. М., Юдин, Н. Е., & Артюхов, В. Г. (2022). Разработка методики сорбционной иммобилизации бромелина на N-малеоилхитозане и изучение структурных особенностей полученного комплекса. Сорбционные и хроматографические процессы, 22(3), 335-346. https://doi.org/10.17308/sorpchrom.2022.22/9340