Исследование особенностей взаимодействия поверхности бромелина и карбоксиметилцеллюлозы в процессе их адсорбционной иммобилизации
Аннотация
Адсорбционная иммобилизация – распространенный подход для стабилизации каталитической активности ферментов, заключающийся в присоединении их макромолекул к поверхности какого-либо носителя за счет слабых физических взаимодействий и водородных связей. Согласно современным представлениям, этот процесс является наиболее «щадящей» техникой иммобилизации по отношению к структуре глобулы фермента. Однако несмотря на этот факт, часто наблюдается снижение активности иммобилизованного препарата по сравнению с нативным ферментом. Для выяснения причин этого процесса следует изучить особенности взаимодействия в системе фермент-носитель и выявить типы взаимодействий, возникающие между ее компонентами. При исследовании структуры ферментов критически важным становится установление природы и качественного состава аминокислотных остатков на поверхности макромолекулы энзима, взаимодействующих с носителем, так как в случае, если каталитически значимые остатки вовлекаются в этот процесс, может наблюдаться значительное снижение активности фермента. В связи с этим целью настоящей работы является исследование особенностей взаимодействия цистеиновой протеазы бромелина с карбоксиметилцеллюлозой с помощью десорбции фермента из образуемого комплекса в различных условиях (в присутствии сульфата аммония или поверхностно-активного вещества Тритон Х-100, в том числе при различных температурах), а также методом гибкого молекулярного докинга. Выбранные объекты исследования – перспективные компоненты для получения биокатализаторов пищевого или биомедицинского назначения, поэтому исследование особенностей их взаимодействия будет способствовать расширению сфер применения бромелина. В ходе исследования установлено, что инкубация иммобилизованного на карбоксиметилцеллюлозе бромелина в растворах сульфата аммония с концентрацией 32 мМ или выше, а также Тритона Х-100 с концентрацией 100 мМ или выше приводит к разрушению комплекса и десорбции фермента. Этот факт подтверждает вклад нековалентных взаимодействий в образование иммобилизованного препарата. При повышении температуры инкубации комплекса выше 60 °C также наблюдалось высвобождение фермента из препарата, что указывает на образование водородных связей между ферментом и носителем. In silico исследование подтвердило образование этих типов связей и взаимодействий, причем показано, что аминокислотные остатки, образующие активный центр бромелина, также связываются с носителем.
Скачивания
Литература
Zheng Q., Wang Z., Xiong F., Zhang G., Enzyme inactivation induced by thermal stabilization in highland barley and impact on lipid oxidation and aroma pro-files, Front. Nutr., 2023; 10: 1-11. https://doi.org/10.3389/fnut.2023.1097775
Robinson P.K. Enzymes: principles and biotechnological applications, Essays Biochem., 2015; 59: 1-41. https://doi.org/10.1042/bse0590001
Secundo F. Conformational changes of enzymes upon immobilization, Chem. Soc. Rev., 2013; 42: 6250-6261. https://doi.org/10.1039/c3cs35495d
Sorokin A.V., Goncharova S.S., Lavlinskaya M.S., Holyavka M.G., Fai-zullin D.A., Zuev Yu.F., Kondratyev M.S., Artyukhov V.G., Complexation of Brome-lain, Ficin, and Papain with the Graft Co-polymer of Carboxymethyl Cellulose Sodi-um Salt and N-Vinylimidazole Enhances Enzyme Proteolytic Activity, Int. J. Mol. Sci., 2023; 24(14): 1-16. https://doi.org/10.3390/ijms241411246
Sorokin A.V., Goncharova S.S., Lavlinskaya, M.S., Holyavka M.G., Fai-zullin D.A., Kondratyev M.S., Kannykin S.V., Zuev Yu.F., Artyukhov V.G, Carbox-ymethyl Cellulose-Based Polymers as Promising Matrices for Ficin Immobiliza-tion, Polymers., 2023; 15(3): 1-23. https://doi.org/10.3390/polym15030649
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. Struc-ture, stability and activity, Int. J. Biol. Macromol., 2021; 180: 161-176. https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2021.03.016
Zheng J., Van der Meeren P., Sun W., New insights into protein–polysaccharide complex coacervation: Dy-namics, molecular parameters, and applica-tions, Aggregate, 2023; 5(5): Article Num-ber e449. https://doi.org/10.1002/agt2.449
Maghraby Y.R., El-Shabasy R.M., Ibrahim A.H., El-Said Azzazy H.M., En-zyme Immobilization Technologies and Industrial Applications, ACS Omega., 2023; 8(6): 5184-5196. https://doi.org/10.1021/acsomega.2c07560
Ol’shannikova S.S., Red’ko Yu.A., Lavlinskaya M.S., Sorokin A.V., Holyavka M.G., Artyukhov V.G., Preparation of pa-pain complexes with chitosan microparti-cles 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
Holyavka M.G., Artyukhov V.G., Sazykina S.M., Nakvasina M.A., Physical, chemical, and kinetic properties of trypsin-based heterogeneous biocatalysts immobi-lized on ion-exchange fiber matrices, Pharmaceutical Chemistry Journal, 2017; 51(8): 702-706. https://doi.org/10.1007/s11094-017-1678-0
Holyavka M.G., Goncharova S.S., Sorokin A.V., Lavlinskaya M.S., Redko Y.A., Faizullin D.A., Baidamshina D.R., Zuev Yu.F., Kondratyev M.S., Kayumov A.R., Artyukhov V.G., Novel Biocatalysts Based on Bromelain Immobilized on Func-tionalized Chitosans and Research on Their Structural Features, Polymers., 2022; 14(23): 1-19. https://doi.org/10.3390/polym14235110
Sorokin A.V., Olshannikova S.S., Lavlinskaya M.S., Holyavka M.G., Fai-zullin D.A., Zuev Yu.F., Artukhov V.G., Chitosan Graft Copolymers with N-Vinylimidazole as Promising Matrices for Immobilization of Bromelain, Ficin, and Papain, Polymers., 2022; 14(11): 1-15. https://doi.org/10.3390/polym14112279
Jančič U., Gorgieva S., Bromelain and Nisin: The Natural Antimicrobials with High Potential in Biomedicine, Pharma-ceutics., 2022; 14(1): 1-39. https://doi.org/10.3390/pharmaceutics14010076
Lavrinenko I.A., Holyavka M.G., Chernov V.E., Artyukhov V.G., Second derivative analysis of synthesized spectra for resolution and identification of over-lapped absorption bands of amino acid res-idues in proteins: bromelain and ficin spec-tra in the 240-320 nm range, Spectro-chimica Acta Part A: Molecular and Bio-molecular Spectroscopy, 2020; 227: 117722. https://doi.org/10.1016/j.saa.2019.117722
Sorokin A.V., Kuznetsov V.A., Lavlinskaya M.S., Synthesis of graft co-polymers of carboxymethyl cellulose and N,N-dimethylaminoethyl methacrylate and their study as Paclitaxel carriers, Polymer Bulletin., 2021; 78(6): 2975-2992. https://doi.org/10.1007/s00289-020-03250-z
Sorokin A., Sukhanov P., Popov V., Kannykin S., Lavlinskaya M., A new ap-proach to increasing the equilibrium swell-ing ratio of the composite superabsorbents based on carboxymethyl cellulose sodium salt, Cellulose., 2022; 29(5): 159-173. https://doi.org/10.1007/s10570-021-04326-3
Sorokin A.V., Goncharova S.S., Lavlinskaya M.S., Holyavka M.G., Zuev Yu.F., Faizullin D.A., Kondtatyev M.S., Artyukhov V.G., Study of the Mechanism of Interaction of Ficin with a Graft Copol-ymer of Carboxymethyl Cellulose Sodium Salt and N-vinylimidazole Using Molecu-lar Docking, as Well as Infrared and Ra-man Spectroscopy, Biophysics., 2023; 68(2): 182-189. https://doi.org/10.1134/S0006350923020227
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 inter-medius, FEBS Lett., 2010; 584(21): 4419-4425. https://doi.org/10.1016/j.febslet.2010.09.049
Malykhina N.V., Olshannikova S.S., Holyavka M.G., Sorokin A.V., Lavlinskaya M.S., Artyukhov V.G., Faizullin D.A., Zuev Yu.F., Preparation of Ficin Complex-es with Carboxymethylchitosan and N-(2-Hydroxy)Propyl-3-Trimethylammoniumchitosan and Studies of Their Structural Features, Russ. J. Bioorganic Chem., 2023; 48(S1): S50-S60. https://doi.org/10.1134/S1068162022060176
Machado A.E. da H., de Oliveira H.P.M., dos Santos L.M., Alves H. de O., Machado W.A., Caixeta B.P., da Silva, T.A., Araújo D.M. da S., Determination of the Critical Micelle Concentration of Tri-ton X-100 Using the Compound 3-(benzoxazol-2-yl)-7-(N,N-diethylamino)chromen-2-one as Fluores-cent Probe, Orbital: Electron. J. Chem., 2016; 8(6): 329-333. https://doi.org/10.17807/orbital.v0i0.923
Yadav J.K., Prakash V., Stabiliza-tion of α-Amylase, the Key Enzyme in Carbohydrates Properties Alterations, at Low pH, Int. J. Food Prop., 2011; 14(6): 1182-1196. https://doi.org/10.1080/10942911003592795
van Dijk E., Hoogeveen A., Abeln S., The Hydrophobic Temperature Depend-ence of Amino Acids Directly Calculated from Protein Structures, PLoS Comput. Bi-ol., 2015; 11(5): 1-17. https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1004277
