eng
Выпуск #2/2022
А.Э.Сидорова, В.С.Быстров, А.О.Луценко, Д.К.Шпигун, Е.В.Белова
МЕТОД ОЦЕНКИ ХИРАЛЬНОСТИ БЕЛКОВ И ФЕНИЛАЛАНИНОВЫХ НАНОТРУБОК КАК ЭФФЕКТИВНЫЙ ИНСТРУМЕНТ НАНОБИОИНЖЕНЕРИИ
МЕТОД ОЦЕНКИ ХИРАЛЬНОСТИ БЕЛКОВ И ФЕНИЛАЛАНИНОВЫХ НАНОТРУБОК КАК ЭФФЕКТИВНЫЙ ИНСТРУМЕНТ НАНОБИОИНЖЕНЕРИИ
Просмотры: 1349
DOI: https://doi.org/10.22184/1993-8578.2022.15.2.96.104
Работа посвящена рассмотрению закономерностей пространственного структурообразования в белках и их применению в нанобиоинженерии. Представлены методы оценки хиральности регулярных и нерегулярных структур белка, а также спиральных нанотрубок на основе фенилаланина. Рассчитаны величина и знак хиральности α-, 310- и π-спиралей, β- и α-поворотов, Ω-петель, а также правых и левых фенилаланиновых нанотрубок. Полученные результаты могут быть использованы в управлении сборкой природных и искусственных белков.
Работа посвящена рассмотрению закономерностей пространственного структурообразования в белках и их применению в нанобиоинженерии. Представлены методы оценки хиральности регулярных и нерегулярных структур белка, а также спиральных нанотрубок на основе фенилаланина. Рассчитаны величина и знак хиральности α-, 310- и π-спиралей, β- и α-поворотов, Ω-петель, а также правых и левых фенилаланиновых нанотрубок. Полученные результаты могут быть использованы в управлении сборкой природных и искусственных белков.
Теги: chirality nanobioengineering natural and artificial proteins phenylalanine nanotubes regular and irregular protein structures нанобиоинженерия природные и искусственные белки регулярные и нерегулярные структуры белка фенилаланиновые нанотрубки хиральность
Получено: 2.03.2022 г. | Принято: 13.03.2022 г. | DOI: https://doi.org/10.22184/1993-8578.2022.15.2.96.104
Научная статья
МЕТОД ОЦЕНКИ ХИРАЛЬНОСТИ БЕЛКОВ И ФЕНИЛАЛАНИНОВЫХ НАНОТРУБОК КАК ЭФФЕКТИВНЫЙ ИНСТРУМЕНТ НАНОБИОИНЖЕНЕРИИ
А.Э.Сидорова1, к.т.н., доц., ORCID: 0000-0002-9386-0178
В.С.Быстров2, д.ф.-м.н., гл. науч.сотр., ORCID: 0000-0003-1487-9469
А.О.Луценко1, магистрант, ORCID: 0000-0003-3274-0647
Д.К.Шпигун1, магистрант, ORCID: 0000-0001-9130-2415
Е.В.Белова1, к.ф.-м.н., ст. науч. сотр. ORCID: 0000-0002-7701-8765 / sky314bone@mail.ru
Аннотация. Работа посвящена рассмотрению закономерностей пространственного структурообразования в белках и их применению в нанобиоинженерии. Представлены методы оценки хиральности регулярных и нерегулярных структур белка, а также спиральных нанотрубок на основе фенилаланина. Рассчитаны величина и знак хиральности α-, 310- и π-спиралей, β- и α-поворотов, Ω-петель, а также правых и левых фенилаланиновых нанотрубок. Полученные результаты могут быть использованы в управлении сборкой природных и искусственных белков.
Ключевые слова: нанобиоинженерия, хиральность, фенилаланиновые нанотрубки, регулярные и нерегулярные структуры белка, природные и искусственные белки
Для цитирования: А.Э.Сидорова, В.С.Быстров, А.О.Луценко, Д.К.Шпигун, Е.В.Белова. Метод оценки хиральности белков и фенилаланиновых нанотрубок как эффективный инструмент нанобиоинженерии. НАНОИНДУСТРИЯ. 2022. Т. 15, № 2. С. 96–104. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2022.15.2.96.104
Received: 3.03.2022 | Accepted: 13.03.2022 | DOI: https://doi.org/10.22184/1993-8578.2022.15.2.96.104
Original paper
METHOD FOR ASSESSMENT OF THE CHIRALITY OF PROTEINS AND PHENYLALANINE NANOTUBES AS AN EFFECTIVE TOOL OF NANOBIOENGINEERING
A.E.Sidorova1, Cand. of Sci. (Tech), Docent, ORCID: 0000-0002-9386-0178
V.S.Bystrov2, Doct. of Sci. (Physics and Mathematics), Leading Scientist, ORCID: 0000-0003-1487-9469
А.О.Lutsenko1, Master’s Degree Student, ORCID: 0000-0003-3274-0647
D.K.Shpigun1, Master’s Degree Student, ORCID: 0000-0001-9130-2415
E.V.Belova1, Cand. of Sci. (Physics and Mathematics), Senior Researcher, ORCID: 0000-0002-7701-8765 / sky314bone@mail.ru
Annotation. The work is devoted to the consideration of regularities of spatial structure formation in proteins and their application in nanobioengineering. Methods for estimating the chirality of regular and irregular protein structure, as well as helical nanotubes based on phenylalanine are presented. The magnitude and the chirality sign of α-, 310-, and π-helices, β- and α-turns, Ω-loops, and right-handed and left-handed phenylalanine nanotubes have been calculated. The obtained results can be used to control the assembly of natural and artificial proteins.
Keywords: nanobioengineering, chirality, phenylalanine nanotubes, regular and irregular protein structures, natural and artificial proteins
For citation: A.E.Sidorova, V.S.Bystrov, A.O.Lutsenko, D.K.Shpigun, E.A.Belova. Method for assessment of the chirality of proteins and phenylalanine nanotubes as an effective tool of nanobioengineering. NANOINDUSTRY. 2022. V. 15, no. 2. PP. 96–104. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2022.15.2.96.104
ВВЕДЕНИЕ
Сравнительно недавно выявлена закономерность смены знака хиральности в структурно-функциональной иерархии белковых структур левые (L)-правые (D)-левые (L)-правые (D) [1, 2]. Для подтверждения этой теории разработаны векторные методы, позволяющие определять хиральность регулярных и нерегулярных белковых структур разных уровней иерархии [3–7], которые в процессе самоорганизации формируются из исходно левых цепочек аминокислотных остатков.
При укладке полипептидной цепи в трехмерную конструкцию происходит формирование, спиралей, суперспиралей, поворотов и петель (рис.1).
В качестве регулярных вторичных структур рассмотрены α-, 310 и π-спирали, а в качестве нерегулярных – β- и α-повороты, Ω-петли. Если регулярные структуры формируют каркас белка в ходе фолдинга, то нерегулярные структуры выполняют роль связующего звена между регулярными вторичными структурами и составляют 30–50% вторичной структуры глобулярных белков и часто присутствуют в активных центрах белка, способствуя специфическому взаимодействию между молекулами. Создание авторского метода оценки знака и величины хиральности различных белковых структур позволило расширить наши знания относительно их структуры и, следовательно, функций, что может быть непосредственно использовано в белковом дизайне.
Метод на основе векторов дипольных моментов позволяет рассчитывать хиральность фенилаланиновых спиральных нанотрубок [6] – биомолекулярных наноструктур, которые являются привлекательными объектами в различных областях биомедицины и биотехнологии. Искусственные пептиды, подобно природным, способны к самосборке в зависимости от выполнения определенной функции (например, пролиферации клеток регенерации аксонов, культивированию стволовых клеток, связыванию ДНК и т.д.). Одним из примеров самосборки сложных биомолекулярных структур является формирование спиральных структур дифенилаланина на основе дипептидов фенилаланиновой аминокислоты (F или Phe) [9–13]. Было установлено, что дипептиды FF образуют именно спиральные нанотрубки (PNT), причем разной хиральности [14–16]. В то же время оказалось, что и сами молекулы фенилаланина также могут образовывать нанофибриллы и нанотрубки [17, 18]. Дипептид дифенилаланин и пептидные нанотрубки (PNT) на его основе (FF PNT) представляют значительный интерес ввиду структурных и физических свойств, важных в различных областях биоинженерии. Они являются биосовместимыми и демонстрируют отличную механическую и химическую стабильность, имеют пьезоэлектрические и оптические свойства. Эти свойства сделали их перспективными кандидатами для создания различных датчиков и устройств наноиндустрии. Также есть данные о возможном применении нанотрубок на основе дифенилаланина при адресной доставке лекарственных препаратов [19, 20]. Мы представляем здесь модельные структуры фенилаланиновых нанотрубок разной хиральности [21] и методы оценки их хиральности, что также может иметь перспективы применения в медицине и наноиндустрии.
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Белковые структуры характеризуются четко определенным расположением атомов углерода. Для оценки знака хиральности регулярных и нерегулярных вторичных белковых структур достаточным условием является взаимное расположение α-углеродов – опорных точек в спиралях, поворотах и петлях (рис.2) [3–5, 7]. Это позволяет строить последовательные векторы, соединяющие опорные точки в спиралях белков, и по методу смешанного векторного произведения рассчитывать величину и знак хиральности спиральных и нерегулярных структур [7].
Хиральность суперспирали – структуры следующего уровня иерархии – зависит от направления закрутки каждой отдельной α-спирали относительно оси всей суперспирали, то есть угла между осью суперспирали и осями образующих спиралей. Величина угла определяется с помощью скалярного произведения, которое для тупых углов отрицательно, а для острых – положительно. Оценка знака хиральности суперспирали рассчитывается с помощью усреднения значения косинуса соответствующего угла для всех спиралей, образующих суперспираль (рис.3) [5].
Применительно к биоинженерии, на основе описанной выше методики оценки хиральности белковых структур [4, 5, 7] был предложен и аналогичный метод определения хиральности фенилаланиновых и дифенилаланиновых спиральных структур, основанный на четкой пространственной последовательности в этих спиралях векторов дипольных моментов отдельных молекул пептидов [6, 7] (рис.4).
РЕЗУЛЬТАТЫ
Авторами проведен анализ хиральности 26150 спиральных структур α-, 310- и π-спиралей. Все исследованные α-, 310-спирали, согласно нашему методу, являются в подавляющем большинстве правозакрученными [7], что полностью согласуется с концепцией хиральной иерархии белковых структур [1, 2]. Левые α-спирали составляют 0,06% от общего количества α-спиралей, а левые 310-спирали – 4,6% от общего количества спиралей 310.
Все π-спирали (структуры из [26]) – правые. Также рассмотрено 78 α-поворотов, 850 β-поворотов и 190 Ω-петель. Полученные результаты показали, что для всех рассмотренных спиралей и поворотов мера хиральности линейно зависит от числа атомов в спирали. Учитывая сложную пространственную ориентацию петель (рис.2с), значение их хиральности, в зависимости от количества последовательных расчетных остатков, может изменяться как по знаку, так и количественно [7] (табл.1).
Анализ 116 суперспиралей показал, что такие структуры, сформированные из правых спиралей, являются левыми, а из левых спиралей – правыми [5], что полностью согласуется с литературными данными и концепцией хиральной иерархии белковых структур [1, 2].
Хиральность витков в спиралях правых (D-PNT) и левых (L-PNT) нанотрубок (рис.5) рассчитывалась по дипольным моментам отдельных молекул фенилаланина (F) (рис.4c, d) левой (L-F) и правой (D-F) хиральности [7] полуэмпирическим квантово-химическим методом RM1 [27, 28]. Из исходно левых (L–F) мономеров фенилаланина получены модели нанотрубок правой (D-PNT) хиральности, а из исходно правых (D-F) мономеров – модели нанотрубок левой (L-PNT) хиральности (табл.2), что также полностью соответствует концепции смены типа хиральности при иерархическом усложнении пептидных структур [1, 2].
ОБСУЖДЕНИЕ
Анализ рассмотренных спиралей и поворотов показал линейную зависимость величины хиральности от числа атомов в этих структурах. Пространственная ориентация петель влияет на количественные значения хиральности этих структур: в зависимости от количества последовательных остатков, взятых для расчета, хиральность может изменяться в большую либо меньшую сторону. Анализ хиральности суперспиралей coiled coil показал, что такие структуры являются в абсолютном большинстве левыми [4], а подавляющее большинство изученных спиралей – правыми, что полностью согласуется с известными из научной литературы данными и концепцией хиральной иерархии белковых структур [1, 2].
Учитывая частоту встречаемости спиралей, суперспиралей, α- и β-поворотов, а также Ω-петель, данное исследование позволяет лучше понять особенности структурообразования белков, как природных, так и искусственных. В настоящее время в области белкового дизайна используются корреляции между аминокислотной последовательностью и структурой не только для спиралей, но и для более сложных структур (например, суперспиралей). Это привело к значительному успеху в конструировании de novo суперспиральных структур, которые могут являться инструментом для управления сборкой как природных белков, так и искусственных конструкций в белковой инженерии и материаловедении. Использование метода расчета хиральности суперспиралей в области вычислительного дизайна позволит решать некоторые проблемы биоинженерии.
Расчеты дипольных моментов отдельных витков спиралей нанотрубок F PNT показали, что, аналогично смене знака хиральности при переходе на более высокий уровень иерархической организации – от спиралей к суперспиралям, нанотрубки демонстрируют характерное изменение знака хиральности – от мономеров к спиральным нанотрубкам. Это позволяет определять режимы симуляции самосборки как фенилаланина, так и других, самых различных аминокислотных последовательностей, как наиболее адекватные формированию таких искусственных нанотрубок [21]. Поскольку хиральность спиральных структур нанотрубок определяет их биологическую активность, этот аспект необходимо учитывать при взаимодействии природных биополимеров с искусственно созданными биохимическими структурами, что особенно важно в области фармакологии.
ВЫВОДЫ
Полученные результаты показали, что принципиально новый метод определения хиральности белковых структур – регулярных (спиральных и суперспиральных) и нерегулярных (поворотов и петель) – на основе расчета смешанного векторного произведения векторов, соединяющих опорные точки в белковых структурах, полностью подтверждает закономерность смены знака хиральности регулярных белковых структур. Необходимым и достаточным условием метода является лишь взаимное расположение α-углеродов. Это позволяет на порядок снизить количество обрабатываемой информации, что является явным преимуществом при обработке больших массивов данных. Метод необходим для структурного анализа и конструирования белков.
Разработаны компьютерные программы ECPHS и ECSSP для оценки хиральности спиральных и суперспиральных структур. Функциональные возможности ПрЭВМ: язык программы – Python 3.7. Графический интерфейс реализован с помощью библиотеки tkinter. Программа позволяет загружать модель из файла, выводить список спиральных структур, определять знак их хиральности и выводить трехмерное изображение при помощи библиотеки matplotlib. Входные данные предствляют собой файлы с расширением .pdb или .txt; среднее время расчета – до 50 мс. Свидетельства о государственной регистрации для ЭВМ: № 2021613546 от 10 марта 2021 года; № 2021665783 от 1 октября 2021 года.
На основании метода определения хиральности белковых структур создан метод расчета величины и знака хиральности фенил- и дифенилаланинов посредством смешанного векторного произведения дипольных моментов. Полученные результаты для L- и D-нанотрубок, формируемых из фенилаланина, хорошо коррелируют с экспериментальным и теоретическими данными [6]. Следовательно, данный метод расчета величины и знака хиральности [3–5, 7] для различных спиральных биомакромолекул может быть с успехом применим в области биоинженерии для оценки хиральности самоорганизующихся спиральных наноструктур на основе различных аминокислот, а также пептидов и дипептидов.
Искусственные белки позволяют определять и тестировать принципы белковой инженерии, воссоздавая и расширяя естественные функции белковых структур, и для их создания очень важно определение хиральности как мономеров, так и формируемых из них более сложных структур. Глубокое понимание взаимосвязей и структур различных типов белков позволяет расширить возможности управления сборкой как природных белков, так и искусственных конструкций в нанобиотехнологиях.
ИНФОРМАЦИЯ О РЕЦЕНЗИРОВАНИИ
Редакция благодарит анонимного рецензента (рецензентов) за их вклад в рецензирование этой работы, а также за размещение статей на сайте журнала и передачу их в электронном виде в НЭБ eLIBRARY.RU.
ЛИТЕРАТУРА / REFERENCES
Твердислов В.А. Хиральность как первичный переключатель иерархических уровней в молекулярно-биологических системах. Биофизика. 2013. 58(1). C. 159–164.
Твердислов В.А., Малышко Е.В. О закономерностях спонтанного формирования структурных иерархий в хиральных системах неживой и живой природы. Успехи физ. наук. 2019. 189(4). С. 375–385.
Sidorova A.E., Malyshko E.V., Kotov A.R., Tverdislov V.A., Ustinin M.N. Quantitative criteria of chirality in hierarchical protein structures. Biophysics. 2019. 64(2). РP. 155–166.
Sidorova A.E., Lutsenko A.O., Shpigun D.K., Malyshko E.V., Tverdislov V.A. Methods to determine the chirality sign for helical and superhelical protein structures. Biophysics. 2021. 66(3). РP. 357–363.
Sidorova A.E., Malyshko E.V., Lutsenko A.O., Shpigun D.K., Bagrova O.E. Protein helical structures: defining handedness and localization features. Symmetry. 2021. V. 13. P. 879.
Bystrov V., Sidorova A., Lutsenko A., Shpigun D., Malyshko E., Nuraeva A., Zelenovskiy P., Kopyl S., Kholkin A. Modeling of self-assembled peptide nanotubes and determination of their chirality sign based on dipole moment calculations. Nanomaterials. 2021. 11(9). P. 2415.
Sidorova A., Bystrov V., Lutsenko A., Shpigun D., Belova E., Likhachev I. Quantitative assessment of chirality of protein secondary structures and phenylalanine peptide nanotubes. Nanomaterials. 2021. 11(12). P. 3299.
Weaver L.H., Matthews B.W. Structure of bacteriophage T4 lysozyme refined at 1.7 A resolution. J Mol Biol. 1987. 193(1). PP. 189–199.
Ghadiri M.R., et al. Self assembling organic nanotubes based on cyclic peptide architecture. Nature. 1993. 366. PP. 324–327.
Görbitz C.H. Nanotube formation by hydrophobic dipeptides. Chem. Eur. J. 2001. 7. PP. 5153–5159.
Scanlon S., Aggeli A. Self-assembling peptide nanotubes. Nano Today. 2008. 3. PP. 22–30.
Bystrov V.S., Paramonova E.V., Bdikin I.K., Kopyl S., Heredia A., Pullar R.C., Kholkin A.L. Bioferroelectricity: diphenylalanine peptide nanotubes computational modeling and ferroelectric properties at the nanoscale. Ferroelectrics. 2012. 440 (1). PP. 3–24.
Bystrov V.S., Zelenovskiy P.S., Nuraeva A.S., Kopyl S., Zhulyabina O.A., Tverdislov V.A. Chiral peculiar properties of self-organization of diphenylalanine peptide nanotubes: modeling of structure and properties. Math. Biol. & Bioinformatics. 2019. 14 (1). PP. 94–124.
Zelenovskiy P.S., Nuraeva A.S., Arkhipov S.G., Vasilev S.G., Bystrov V.S., Gruzdev D.A., Waliczek M., Svitlyk V., Shur V.Ya., Mafra L., Kholkin A.L. Chirality-dependent growth of self-assembled diphenylalanine microtubes. Crystal Growth and Design. 2019. 19. PP. 6414–6421.
Bystrov V.S., Zelenovskiy P.S., Nuraeva A.S., Kopyl S., Zhulyabina O.A., Tverdislov V.A. Molecular modeling and computational study of the chiral-dependent structures and properties of self-assembling diphenylalanine peptide nanotubes. J. Mol. Model. 2019. 25. P. 199.
Bystrov V., Coutinho J., Zelenovskiy P., Nuraeva A., Kopyl S., Zhulyabina O., Tverdislov V. Structures and properties of the self-assembling diphenylalanine peptide nanotubes containing water molecules: modeling and data analysis. Nanomaterials. 2020. 10. PP. 1999.
German H.W., Uyaver S., Hansmann U.H.E. Self-assembly of phenylalanine-based molecules. J. Phys. Chem. A. 2015. 119. PP. 1609–1615.
Adler-Abramovic L., Vaks L., Carny O., Trudler D., Magno A., Caflisch A., Frenkel D., Gazit E. Phenylalanine assembly into toxic fibrils suggests amyloid etiology in phenylketonuria. Nat. Chem. Biol. 2012. V. 8. PP. 701–706.
Emtiazi G., Zohrabi T., Lee L.Y., Habibi N., Zarrabi A. Covalent diphenylalanine peptide nanotube conjugated to folic acid/magnetic nanoparticles for anti-cancer drug delivery. J. Drug Delivery Science and Technology. 2017. V. 41. PP. 90–98.
Silva R.F., Araujo D.R., Silva E.R., Ando R.A., Alves W.A. L-Diphenylalanine microtubes as a potential drug-delivery system: characterization, release kinetics, and cytotoxicity. Langmuir. 2013. V. 29. PP. 10205−10212.
Likhachev I.V., Bystrov V.S. Assembly of a phenylalanine nanotube with a molecular dynamic manipulator. Mathematical Biology and Bioinformatics. 2021. 16(2). PP. 244–255.
Nicholson H., Anderson D.E., Pin S.D., Matthews B.W. Analysis of the interaction between charged side chains and the.alpha.-helix dipole using designed thermostable mutants of phage T4 lysozyme. Biochemistry. 1991. V. 30. PP. 9816–9828.
Taylor N.R., Cleasby A., Singh O. et al. Dihydropyrancarboxamides Related to Zanamivir: A New Series of Inhibitors of Influenza Virus Sialidases. 2. Crystallographic and Molecular Modeling Study of Complexes of 4-Amino-4H-pyran-6-carboxamides and Sialidase from Influenza Virus Types A and B. J. Med. Chem. 1998. V. 41. PP. 798–807.
Baker E., Dodson E.J. Crystallographic refinement of the structure of actinidin at 1.7 Å resolution by fast Fourier least-squares methods. Acta Crystallogr. 1980. A36. PP. 559–572.
Nautiyal S., Alber T. Crystal structure of a designed, thermostable, heterotrimeric coiled coil. Protein Sci. 1999. 8(1). PP. 84–90.
Fodje M.N., Al-Karadaghi S. Occurrence, conformational features and amino acid propensities for the π-helix. Protein Eng., Design and Selection. 2002. V. 15. PP. 353–358.
Hypercube Inc. HyperChem (version Release 8.0). Gainesville: Hypercube Inc., 2011.
Rocha G.B., Freire R.O., Simas A.M., Stewart J.J.P. RM1: A reparameterization of AM1 for H, C, N, O, P, S, F, Cl, Br, and I. J Comput Chem. 2006. V. 27. PP. 1101–1111.
Декларация о конфликте интересов. Автор заявляет об отсутствии конфликтов интересов или личных отношений, которые могли бы повлиять на работу, представленную в данной статье.
Научная статья
МЕТОД ОЦЕНКИ ХИРАЛЬНОСТИ БЕЛКОВ И ФЕНИЛАЛАНИНОВЫХ НАНОТРУБОК КАК ЭФФЕКТИВНЫЙ ИНСТРУМЕНТ НАНОБИОИНЖЕНЕРИИ
А.Э.Сидорова1, к.т.н., доц., ORCID: 0000-0002-9386-0178
В.С.Быстров2, д.ф.-м.н., гл. науч.сотр., ORCID: 0000-0003-1487-9469
А.О.Луценко1, магистрант, ORCID: 0000-0003-3274-0647
Д.К.Шпигун1, магистрант, ORCID: 0000-0001-9130-2415
Е.В.Белова1, к.ф.-м.н., ст. науч. сотр. ORCID: 0000-0002-7701-8765 / sky314bone@mail.ru
Аннотация. Работа посвящена рассмотрению закономерностей пространственного структурообразования в белках и их применению в нанобиоинженерии. Представлены методы оценки хиральности регулярных и нерегулярных структур белка, а также спиральных нанотрубок на основе фенилаланина. Рассчитаны величина и знак хиральности α-, 310- и π-спиралей, β- и α-поворотов, Ω-петель, а также правых и левых фенилаланиновых нанотрубок. Полученные результаты могут быть использованы в управлении сборкой природных и искусственных белков.
Ключевые слова: нанобиоинженерия, хиральность, фенилаланиновые нанотрубки, регулярные и нерегулярные структуры белка, природные и искусственные белки
Для цитирования: А.Э.Сидорова, В.С.Быстров, А.О.Луценко, Д.К.Шпигун, Е.В.Белова. Метод оценки хиральности белков и фенилаланиновых нанотрубок как эффективный инструмент нанобиоинженерии. НАНОИНДУСТРИЯ. 2022. Т. 15, № 2. С. 96–104. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2022.15.2.96.104
Received: 3.03.2022 | Accepted: 13.03.2022 | DOI: https://doi.org/10.22184/1993-8578.2022.15.2.96.104
Original paper
METHOD FOR ASSESSMENT OF THE CHIRALITY OF PROTEINS AND PHENYLALANINE NANOTUBES AS AN EFFECTIVE TOOL OF NANOBIOENGINEERING
A.E.Sidorova1, Cand. of Sci. (Tech), Docent, ORCID: 0000-0002-9386-0178
V.S.Bystrov2, Doct. of Sci. (Physics and Mathematics), Leading Scientist, ORCID: 0000-0003-1487-9469
А.О.Lutsenko1, Master’s Degree Student, ORCID: 0000-0003-3274-0647
D.K.Shpigun1, Master’s Degree Student, ORCID: 0000-0001-9130-2415
E.V.Belova1, Cand. of Sci. (Physics and Mathematics), Senior Researcher, ORCID: 0000-0002-7701-8765 / sky314bone@mail.ru
Annotation. The work is devoted to the consideration of regularities of spatial structure formation in proteins and their application in nanobioengineering. Methods for estimating the chirality of regular and irregular protein structure, as well as helical nanotubes based on phenylalanine are presented. The magnitude and the chirality sign of α-, 310-, and π-helices, β- and α-turns, Ω-loops, and right-handed and left-handed phenylalanine nanotubes have been calculated. The obtained results can be used to control the assembly of natural and artificial proteins.
Keywords: nanobioengineering, chirality, phenylalanine nanotubes, regular and irregular protein structures, natural and artificial proteins
For citation: A.E.Sidorova, V.S.Bystrov, A.O.Lutsenko, D.K.Shpigun, E.A.Belova. Method for assessment of the chirality of proteins and phenylalanine nanotubes as an effective tool of nanobioengineering. NANOINDUSTRY. 2022. V. 15, no. 2. PP. 96–104. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2022.15.2.96.104
ВВЕДЕНИЕ
Сравнительно недавно выявлена закономерность смены знака хиральности в структурно-функциональной иерархии белковых структур левые (L)-правые (D)-левые (L)-правые (D) [1, 2]. Для подтверждения этой теории разработаны векторные методы, позволяющие определять хиральность регулярных и нерегулярных белковых структур разных уровней иерархии [3–7], которые в процессе самоорганизации формируются из исходно левых цепочек аминокислотных остатков.
При укладке полипептидной цепи в трехмерную конструкцию происходит формирование, спиралей, суперспиралей, поворотов и петель (рис.1).
В качестве регулярных вторичных структур рассмотрены α-, 310 и π-спирали, а в качестве нерегулярных – β- и α-повороты, Ω-петли. Если регулярные структуры формируют каркас белка в ходе фолдинга, то нерегулярные структуры выполняют роль связующего звена между регулярными вторичными структурами и составляют 30–50% вторичной структуры глобулярных белков и часто присутствуют в активных центрах белка, способствуя специфическому взаимодействию между молекулами. Создание авторского метода оценки знака и величины хиральности различных белковых структур позволило расширить наши знания относительно их структуры и, следовательно, функций, что может быть непосредственно использовано в белковом дизайне.
Метод на основе векторов дипольных моментов позволяет рассчитывать хиральность фенилаланиновых спиральных нанотрубок [6] – биомолекулярных наноструктур, которые являются привлекательными объектами в различных областях биомедицины и биотехнологии. Искусственные пептиды, подобно природным, способны к самосборке в зависимости от выполнения определенной функции (например, пролиферации клеток регенерации аксонов, культивированию стволовых клеток, связыванию ДНК и т.д.). Одним из примеров самосборки сложных биомолекулярных структур является формирование спиральных структур дифенилаланина на основе дипептидов фенилаланиновой аминокислоты (F или Phe) [9–13]. Было установлено, что дипептиды FF образуют именно спиральные нанотрубки (PNT), причем разной хиральности [14–16]. В то же время оказалось, что и сами молекулы фенилаланина также могут образовывать нанофибриллы и нанотрубки [17, 18]. Дипептид дифенилаланин и пептидные нанотрубки (PNT) на его основе (FF PNT) представляют значительный интерес ввиду структурных и физических свойств, важных в различных областях биоинженерии. Они являются биосовместимыми и демонстрируют отличную механическую и химическую стабильность, имеют пьезоэлектрические и оптические свойства. Эти свойства сделали их перспективными кандидатами для создания различных датчиков и устройств наноиндустрии. Также есть данные о возможном применении нанотрубок на основе дифенилаланина при адресной доставке лекарственных препаратов [19, 20]. Мы представляем здесь модельные структуры фенилаланиновых нанотрубок разной хиральности [21] и методы оценки их хиральности, что также может иметь перспективы применения в медицине и наноиндустрии.
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Белковые структуры характеризуются четко определенным расположением атомов углерода. Для оценки знака хиральности регулярных и нерегулярных вторичных белковых структур достаточным условием является взаимное расположение α-углеродов – опорных точек в спиралях, поворотах и петлях (рис.2) [3–5, 7]. Это позволяет строить последовательные векторы, соединяющие опорные точки в спиралях белков, и по методу смешанного векторного произведения рассчитывать величину и знак хиральности спиральных и нерегулярных структур [7].
Хиральность суперспирали – структуры следующего уровня иерархии – зависит от направления закрутки каждой отдельной α-спирали относительно оси всей суперспирали, то есть угла между осью суперспирали и осями образующих спиралей. Величина угла определяется с помощью скалярного произведения, которое для тупых углов отрицательно, а для острых – положительно. Оценка знака хиральности суперспирали рассчитывается с помощью усреднения значения косинуса соответствующего угла для всех спиралей, образующих суперспираль (рис.3) [5].
Применительно к биоинженерии, на основе описанной выше методики оценки хиральности белковых структур [4, 5, 7] был предложен и аналогичный метод определения хиральности фенилаланиновых и дифенилаланиновых спиральных структур, основанный на четкой пространственной последовательности в этих спиралях векторов дипольных моментов отдельных молекул пептидов [6, 7] (рис.4).
РЕЗУЛЬТАТЫ
Авторами проведен анализ хиральности 26150 спиральных структур α-, 310- и π-спиралей. Все исследованные α-, 310-спирали, согласно нашему методу, являются в подавляющем большинстве правозакрученными [7], что полностью согласуется с концепцией хиральной иерархии белковых структур [1, 2]. Левые α-спирали составляют 0,06% от общего количества α-спиралей, а левые 310-спирали – 4,6% от общего количества спиралей 310.
Все π-спирали (структуры из [26]) – правые. Также рассмотрено 78 α-поворотов, 850 β-поворотов и 190 Ω-петель. Полученные результаты показали, что для всех рассмотренных спиралей и поворотов мера хиральности линейно зависит от числа атомов в спирали. Учитывая сложную пространственную ориентацию петель (рис.2с), значение их хиральности, в зависимости от количества последовательных расчетных остатков, может изменяться как по знаку, так и количественно [7] (табл.1).
Анализ 116 суперспиралей показал, что такие структуры, сформированные из правых спиралей, являются левыми, а из левых спиралей – правыми [5], что полностью согласуется с литературными данными и концепцией хиральной иерархии белковых структур [1, 2].
Хиральность витков в спиралях правых (D-PNT) и левых (L-PNT) нанотрубок (рис.5) рассчитывалась по дипольным моментам отдельных молекул фенилаланина (F) (рис.4c, d) левой (L-F) и правой (D-F) хиральности [7] полуэмпирическим квантово-химическим методом RM1 [27, 28]. Из исходно левых (L–F) мономеров фенилаланина получены модели нанотрубок правой (D-PNT) хиральности, а из исходно правых (D-F) мономеров – модели нанотрубок левой (L-PNT) хиральности (табл.2), что также полностью соответствует концепции смены типа хиральности при иерархическом усложнении пептидных структур [1, 2].
ОБСУЖДЕНИЕ
Анализ рассмотренных спиралей и поворотов показал линейную зависимость величины хиральности от числа атомов в этих структурах. Пространственная ориентация петель влияет на количественные значения хиральности этих структур: в зависимости от количества последовательных остатков, взятых для расчета, хиральность может изменяться в большую либо меньшую сторону. Анализ хиральности суперспиралей coiled coil показал, что такие структуры являются в абсолютном большинстве левыми [4], а подавляющее большинство изученных спиралей – правыми, что полностью согласуется с известными из научной литературы данными и концепцией хиральной иерархии белковых структур [1, 2].
Учитывая частоту встречаемости спиралей, суперспиралей, α- и β-поворотов, а также Ω-петель, данное исследование позволяет лучше понять особенности структурообразования белков, как природных, так и искусственных. В настоящее время в области белкового дизайна используются корреляции между аминокислотной последовательностью и структурой не только для спиралей, но и для более сложных структур (например, суперспиралей). Это привело к значительному успеху в конструировании de novo суперспиральных структур, которые могут являться инструментом для управления сборкой как природных белков, так и искусственных конструкций в белковой инженерии и материаловедении. Использование метода расчета хиральности суперспиралей в области вычислительного дизайна позволит решать некоторые проблемы биоинженерии.
Расчеты дипольных моментов отдельных витков спиралей нанотрубок F PNT показали, что, аналогично смене знака хиральности при переходе на более высокий уровень иерархической организации – от спиралей к суперспиралям, нанотрубки демонстрируют характерное изменение знака хиральности – от мономеров к спиральным нанотрубкам. Это позволяет определять режимы симуляции самосборки как фенилаланина, так и других, самых различных аминокислотных последовательностей, как наиболее адекватные формированию таких искусственных нанотрубок [21]. Поскольку хиральность спиральных структур нанотрубок определяет их биологическую активность, этот аспект необходимо учитывать при взаимодействии природных биополимеров с искусственно созданными биохимическими структурами, что особенно важно в области фармакологии.
ВЫВОДЫ
Полученные результаты показали, что принципиально новый метод определения хиральности белковых структур – регулярных (спиральных и суперспиральных) и нерегулярных (поворотов и петель) – на основе расчета смешанного векторного произведения векторов, соединяющих опорные точки в белковых структурах, полностью подтверждает закономерность смены знака хиральности регулярных белковых структур. Необходимым и достаточным условием метода является лишь взаимное расположение α-углеродов. Это позволяет на порядок снизить количество обрабатываемой информации, что является явным преимуществом при обработке больших массивов данных. Метод необходим для структурного анализа и конструирования белков.
Разработаны компьютерные программы ECPHS и ECSSP для оценки хиральности спиральных и суперспиральных структур. Функциональные возможности ПрЭВМ: язык программы – Python 3.7. Графический интерфейс реализован с помощью библиотеки tkinter. Программа позволяет загружать модель из файла, выводить список спиральных структур, определять знак их хиральности и выводить трехмерное изображение при помощи библиотеки matplotlib. Входные данные предствляют собой файлы с расширением .pdb или .txt; среднее время расчета – до 50 мс. Свидетельства о государственной регистрации для ЭВМ: № 2021613546 от 10 марта 2021 года; № 2021665783 от 1 октября 2021 года.
На основании метода определения хиральности белковых структур создан метод расчета величины и знака хиральности фенил- и дифенилаланинов посредством смешанного векторного произведения дипольных моментов. Полученные результаты для L- и D-нанотрубок, формируемых из фенилаланина, хорошо коррелируют с экспериментальным и теоретическими данными [6]. Следовательно, данный метод расчета величины и знака хиральности [3–5, 7] для различных спиральных биомакромолекул может быть с успехом применим в области биоинженерии для оценки хиральности самоорганизующихся спиральных наноструктур на основе различных аминокислот, а также пептидов и дипептидов.
Искусственные белки позволяют определять и тестировать принципы белковой инженерии, воссоздавая и расширяя естественные функции белковых структур, и для их создания очень важно определение хиральности как мономеров, так и формируемых из них более сложных структур. Глубокое понимание взаимосвязей и структур различных типов белков позволяет расширить возможности управления сборкой как природных белков, так и искусственных конструкций в нанобиотехнологиях.
ИНФОРМАЦИЯ О РЕЦЕНЗИРОВАНИИ
Редакция благодарит анонимного рецензента (рецензентов) за их вклад в рецензирование этой работы, а также за размещение статей на сайте журнала и передачу их в электронном виде в НЭБ eLIBRARY.RU.
ЛИТЕРАТУРА / REFERENCES
Твердислов В.А. Хиральность как первичный переключатель иерархических уровней в молекулярно-биологических системах. Биофизика. 2013. 58(1). C. 159–164.
Твердислов В.А., Малышко Е.В. О закономерностях спонтанного формирования структурных иерархий в хиральных системах неживой и живой природы. Успехи физ. наук. 2019. 189(4). С. 375–385.
Sidorova A.E., Malyshko E.V., Kotov A.R., Tverdislov V.A., Ustinin M.N. Quantitative criteria of chirality in hierarchical protein structures. Biophysics. 2019. 64(2). РP. 155–166.
Sidorova A.E., Lutsenko A.O., Shpigun D.K., Malyshko E.V., Tverdislov V.A. Methods to determine the chirality sign for helical and superhelical protein structures. Biophysics. 2021. 66(3). РP. 357–363.
Sidorova A.E., Malyshko E.V., Lutsenko A.O., Shpigun D.K., Bagrova O.E. Protein helical structures: defining handedness and localization features. Symmetry. 2021. V. 13. P. 879.
Bystrov V., Sidorova A., Lutsenko A., Shpigun D., Malyshko E., Nuraeva A., Zelenovskiy P., Kopyl S., Kholkin A. Modeling of self-assembled peptide nanotubes and determination of their chirality sign based on dipole moment calculations. Nanomaterials. 2021. 11(9). P. 2415.
Sidorova A., Bystrov V., Lutsenko A., Shpigun D., Belova E., Likhachev I. Quantitative assessment of chirality of protein secondary structures and phenylalanine peptide nanotubes. Nanomaterials. 2021. 11(12). P. 3299.
Weaver L.H., Matthews B.W. Structure of bacteriophage T4 lysozyme refined at 1.7 A resolution. J Mol Biol. 1987. 193(1). PP. 189–199.
Ghadiri M.R., et al. Self assembling organic nanotubes based on cyclic peptide architecture. Nature. 1993. 366. PP. 324–327.
Görbitz C.H. Nanotube formation by hydrophobic dipeptides. Chem. Eur. J. 2001. 7. PP. 5153–5159.
Scanlon S., Aggeli A. Self-assembling peptide nanotubes. Nano Today. 2008. 3. PP. 22–30.
Bystrov V.S., Paramonova E.V., Bdikin I.K., Kopyl S., Heredia A., Pullar R.C., Kholkin A.L. Bioferroelectricity: diphenylalanine peptide nanotubes computational modeling and ferroelectric properties at the nanoscale. Ferroelectrics. 2012. 440 (1). PP. 3–24.
Bystrov V.S., Zelenovskiy P.S., Nuraeva A.S., Kopyl S., Zhulyabina O.A., Tverdislov V.A. Chiral peculiar properties of self-organization of diphenylalanine peptide nanotubes: modeling of structure and properties. Math. Biol. & Bioinformatics. 2019. 14 (1). PP. 94–124.
Zelenovskiy P.S., Nuraeva A.S., Arkhipov S.G., Vasilev S.G., Bystrov V.S., Gruzdev D.A., Waliczek M., Svitlyk V., Shur V.Ya., Mafra L., Kholkin A.L. Chirality-dependent growth of self-assembled diphenylalanine microtubes. Crystal Growth and Design. 2019. 19. PP. 6414–6421.
Bystrov V.S., Zelenovskiy P.S., Nuraeva A.S., Kopyl S., Zhulyabina O.A., Tverdislov V.A. Molecular modeling and computational study of the chiral-dependent structures and properties of self-assembling diphenylalanine peptide nanotubes. J. Mol. Model. 2019. 25. P. 199.
Bystrov V., Coutinho J., Zelenovskiy P., Nuraeva A., Kopyl S., Zhulyabina O., Tverdislov V. Structures and properties of the self-assembling diphenylalanine peptide nanotubes containing water molecules: modeling and data analysis. Nanomaterials. 2020. 10. PP. 1999.
German H.W., Uyaver S., Hansmann U.H.E. Self-assembly of phenylalanine-based molecules. J. Phys. Chem. A. 2015. 119. PP. 1609–1615.
Adler-Abramovic L., Vaks L., Carny O., Trudler D., Magno A., Caflisch A., Frenkel D., Gazit E. Phenylalanine assembly into toxic fibrils suggests amyloid etiology in phenylketonuria. Nat. Chem. Biol. 2012. V. 8. PP. 701–706.
Emtiazi G., Zohrabi T., Lee L.Y., Habibi N., Zarrabi A. Covalent diphenylalanine peptide nanotube conjugated to folic acid/magnetic nanoparticles for anti-cancer drug delivery. J. Drug Delivery Science and Technology. 2017. V. 41. PP. 90–98.
Silva R.F., Araujo D.R., Silva E.R., Ando R.A., Alves W.A. L-Diphenylalanine microtubes as a potential drug-delivery system: characterization, release kinetics, and cytotoxicity. Langmuir. 2013. V. 29. PP. 10205−10212.
Likhachev I.V., Bystrov V.S. Assembly of a phenylalanine nanotube with a molecular dynamic manipulator. Mathematical Biology and Bioinformatics. 2021. 16(2). PP. 244–255.
Nicholson H., Anderson D.E., Pin S.D., Matthews B.W. Analysis of the interaction between charged side chains and the.alpha.-helix dipole using designed thermostable mutants of phage T4 lysozyme. Biochemistry. 1991. V. 30. PP. 9816–9828.
Taylor N.R., Cleasby A., Singh O. et al. Dihydropyrancarboxamides Related to Zanamivir: A New Series of Inhibitors of Influenza Virus Sialidases. 2. Crystallographic and Molecular Modeling Study of Complexes of 4-Amino-4H-pyran-6-carboxamides and Sialidase from Influenza Virus Types A and B. J. Med. Chem. 1998. V. 41. PP. 798–807.
Baker E., Dodson E.J. Crystallographic refinement of the structure of actinidin at 1.7 Å resolution by fast Fourier least-squares methods. Acta Crystallogr. 1980. A36. PP. 559–572.
Nautiyal S., Alber T. Crystal structure of a designed, thermostable, heterotrimeric coiled coil. Protein Sci. 1999. 8(1). PP. 84–90.
Fodje M.N., Al-Karadaghi S. Occurrence, conformational features and amino acid propensities for the π-helix. Protein Eng., Design and Selection. 2002. V. 15. PP. 353–358.
Hypercube Inc. HyperChem (version Release 8.0). Gainesville: Hypercube Inc., 2011.
Rocha G.B., Freire R.O., Simas A.M., Stewart J.J.P. RM1: A reparameterization of AM1 for H, C, N, O, P, S, F, Cl, Br, and I. J Comput Chem. 2006. V. 27. PP. 1101–1111.
Декларация о конфликте интересов. Автор заявляет об отсутствии конфликтов интересов или личных отношений, которые могли бы повлиять на работу, представленную в данной статье.
Отзывы читателей
