Молекулярный дизайн, синтез и исследование новых порфириновых интеркалятов для ДНК

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 23-13-00235

НазваниеМолекулярный дизайн, синтез и исследование новых порфириновых интеркалятов для ДНК

Руководитель Лебедева Наталья Шамильевна, Доктор химических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химии растворов им. Г.А. Крестова Российской академии наук , Ивановская обл

Конкурс №80 - Конкурс 2023 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах; 03-103 - Синтез, строение и свойства природных и физиологически активных веществ; медицинская химия и прогнозирование различных видов биоактивности

Ключевые слова порфирины, ДНК, интеркаляция, синтез, супрамолекулярный комплекс, фотодеградация ДНК

Код ГРНТИ31.23.41

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект направлен на установление основных закономерностей влияния природы порфириновых соединений на интеркаляцию между азотистыми основаниями ДНК и решение основной проблемы интеркаляционного взаимодействия – низкой селективности известных интеркалятов. Актуальность решения данной проблемы обусловлена возрастающим интересом медицинской химии, физической химии, биохимии, генетики, аналитики к интеркалятам ДНК. Для фундаментальной науки является важным понимание физико-химических свойств порфириновых соединений в составе интеркаляционного комплекса с ДНК, особенно их способности генерировать активные формы кислорода и приводить к необратимым повреждениям ДНК. Другой не менее важный аспект – изменения, вызываемые в структуре ДНК при интеркаляции порфиринов. В рамках проекта будет исследован практически не изученный способ полуинтеркаляционного взаимодействия с ДНК, при котором связанный интеркалирующий порфирин будет вызывать искажение одной из спиралей ДНК, приводя к выворачиванию одного из азотистых оснований из пи-стекинга ДНК. Мы полагаем, что подобное полуинтеркаляционное связывание позволит обеспечить селективность процесса за счет дополнительных взаимодействий между азотистым основанием ДНК, находящимся вне спирального стека, и периферийным заместителем порфирина. Для этих целей будет проведен направленный синтез ряда новых водорастворимых несимметричных порфиринов, имеющих на периферии макрогетероцикла активный ароматический фрагмент, соединенный с макроциклом «жесткой» ковалентной связью, через гибкий полиметиленовый спейсер различной длины или через аза- спейсер. Для синтеза, каких порфиринов будут использованы как классические методы органического синтеза, так и современные методы, включающие металл-катализируемые реакции С-Н и С-N-функционализации. C прикладной точки зрения запланированные исследования могут стать основой для создания новых препаратов для лечения онкологических, вирусных заболеваний и бактериальных инфекций. Причем в отличие от известных интеркалятов, которые ингибируют процессы репликации и транскрипции ДНК, предлагаемые в заявке интеркаляты, кроме ингибирования, будут вызывать необратимое повреждение ДНК при фотооблучении, т.е. обладать бактерицидной/вирулицидной и цитостатической активностью. Так как окисление ДНК осуществляется активными формами кислорода, генерируемыми порфирином, то фотоокисление ДНК является опосредованным и необратимым, что обеспечивает отсутствие привыкания к препарату. Последний аспект чрезвычайно важен в практическом плане в свете ежегодно возрастающей антибиотикорезистентности.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Юрина Е.С., Лебедева Н.Ш., Ведерникова И.А. Влияние положения N- метилпиридильных фрагментов в молекуле 5,10,15,20- тетрафенилпорфирина на связывание с олигонуклеотидами Материалы III Международной научно-практической конференции. Медико-биологические и нутрициологические аспекты здоровьесберегающих технологий, Материалы III Международной научно-практической конференции – Кемерово: КемГМУ, 2023. – С.33-38. (год публикации - 2023)

2. Лебедев М.А., Киселев А.Н., Сырбу С.А., Юрина Е.С. Молекулярный дизайн новых катионных несимметричнозамещенных порфириновых интеркалятов ДНК. I Междисциплинарная всероссийская молодежная научная школа-конференция с международным участием «Молекулярный дизайн биологически активных веществ: биохимические и медицинские аспекты»: тезисы докладов. Казань, 2023. – 176 с., I Междисциплинарная всероссийская молодежная научная школа-конференция с международным участием «Молекулярный дизайн биологически активных веществ: биохимические и медицинские аспекты». Тезисы докладов. Казань, 2023. – 176 с. (год публикации - 2023)

3. Ведерникова И.А., Юрина Е.С., Лебедева Н.Ш. Особенности взаимодействия 5-[4’-(n-метил-1″,3″-бензоимидазол-2″-ил)фенил]-10,15,20-трис(3’-пиридил) порфирина с нуклеиновыми кислотами Актуальные вопросы биологической физики и химии. БФФХ-2023: материалы XVIII международной научной конференции, г. Севастополь, 2023 г, Актуальные вопросы биологической физики и химии. БФФХ-2023: материалы XVIII международной научной конференции, г. Севастополь, 11-15 сентября 2023 г. – Севастополь, 2023. – С.80. (год публикации - 2023)

4. Ведерникова И.А. Гусейнов С.С., Юрина Е.С., Лебедева Н.Ш. Особенности взаимодействия этидий бромида с поли[d(at)2] и поли[d(gc)2 ] XII Международная научная конференция “Кинетика и механизм кристаллизации. Кристаллизация и материалы нового поколения”, XII Международная научная конференция “Кинетика и механизм кристаллизации. Кристаллизация и материалы нового поколения” Иваново. с. 207-208. (год публикации - 2023)

5. Лебедева Н.Ш., Юрина Е.С., Гусейнов С.С., Губарев Ю.А. Influence of the position of the N-methyl group in tetra-(N-methylpyridyl)porphyrine on the features of its interaction with oligonucleotides. Spectral and thermochemical study Dyes and Pigments, Dyes and Pigments 2023. Vol. 220. P. 111723 (год публикации - 2023)
10.1016/j.dyepig.2023.111723

6. Лебедева Н.Ш., Юрина Е.С., Гусейнов С.С., Койфман О.И. Interaction of monoheteryl-substituted cationic porphyrins with synthetic nucleic acids Macroheterocycles, Macroheterocycles, 16(3), 211-217. (год публикации - 2023)
10.6060/mhc235287l

7. Лебедева Н.Ш., Юрина Е.С., Гусейнов С.С., Сырбу С.А. Complexes of cationic non-symmetric porphyrin with synthetic and natural nucleic acids Journal of Inclusion Phenomena and Macrocyclic Chemistry, Inclusion Phenomena and Macrocyclic Chemistry. 2023.Vol.103 P. 429-440. (год публикации - 2023)
10.1007/s10847-023-01207-z

8. Лебедев М.А., Киселев А.Н., Скоробогаткина И.А. Комплексообразование синтетических нуклеиновых кислот с трииодидом 5-[4′-(1′′,3′′,7′′-Триметиксант-2′′-ил)фенил]10,15,20- трис-(N-метилпиридиний-3′-ил)порфирина Всероссийская конференция с международным участием «Современные проблемы науки о полимерах». Санкт-Петербург, Всероссийская конференция с международным участием «Современные проблемы науки о полимерах». Санкт-Петербург, 13-17 ноября 2023г. С. 370. (год публикации - 2023)

9. Сырбу С.А., Киселев А.Н., Лебедев М.А., Юрина Е.С., Лебедева Н.Ш. Synthesis of 5-[4′-(1'',3'',7''-trimethylxanthine-2''-yl)phenyl]-10,15,20-tris-(N-methylpyridinium-3′-yl)porphyrin Triiodide and Features of its Reaction with Poly[d(AT)2] Russian Journal of General Chemistry, Russian Journal of General Chemistry, 2023, Vol. 93, Suppl. 2, pp. S562–S571 (год публикации - 2023)
10.1134/S1070363223150197

10. Лебедева Н.Ш., Юрина Е.С., Киселев А.Н., Лебедев М.А., Сырбу С.А. Unsymmetrical cationic porphyrin that forms sedimentation-unstable complexes with nucleic acids Mendeleev Communications, Mendeleev Commun. 2024. Vol.34. P. 525–527 (год публикации - 2024)
10.1016/j.mencom.2024.06.018

11. Гусейнов С.С., Лебедева Н.Ш., Юрина Е.С. Determination of the type of complexes of oligonucleotides with porphyrins based on the temperature dependence of the heat capacity of solutions XXIV International Conference on Chemical Thermodynamics in Russia, 2024, Ivanovo, XXIV International Conference on Chemical Thermodynamics in Russia, July 1-5, 2024, Ivanovo, Russia. P. 239 (год публикации - 2024)

12. Мамаева К.И., Юрина Е.С., Лебедева Н.Ш., Сырбу С.А. Исследование взаимодействия порфирина с остатком гуанина с нуклеиновыми кислотами в темновой фазе и фотооблучении I региональное собрание РФО и Всероссийская конференция с международным участием «Современные проблемы фотобиологии и биофотоники» Сборник тезисов. Нижний Новгород: ННГУ им. Н.И. Лобачевского, 2024, I региональное собрание РФО и Всероссийская конференция с международным участием «Современные проблемы фотобиологии и биофотоники» Сборник тезисов. Нижний Новгород: ННГУ им. Н.И. Лобачевского, 2024. – С.144. (год публикации - 2024)

13. Лебедева Н.Ш., Сырбу С.А. Водорастворимые несимметричные порфирины для решения биомедицинских задач 6-я Российская конференция по медицинской химии. - Нижний Новгород, 2024, 6-я Российская конференция по медицинской химии. - Нижний Новгород, 2024. – 79 с. (год публикации - 2024)

14. Лебедева Н.Ш., Юрина Е.С., Гусейнов С.С., Мамаева К.И., Киселев А.Н., Лебедев М.А., Сырбу С.А. Комплексообразование нуклеиновых кислот с 5-[4ʹ-(2”-амино-1”H-пурин-6”-он-8”-ил)фенил]-10,15,20-три(N-метилпиридин-3ʹ-ил)-порфирином в растворах Известия Академии Наук: Серия химическая (год публикации - 2024)

15. Юрина Е.С., Лебедева Н.Ш., Сырбу С.А Новая стратегия осаждения нуклеиновых кислот с помощью несимметрично замещенного катионного порфирина Материалы XV Международной конференции «Синтез и применение порфиринов и их аналогов» (ICPC-15), 24 – 29 июня 2024 г.Иваново, Материалы XV Международной конференции «Синтез и применение порфиринов и их аналогов» (ICPC-15), 24 – 29 июня 2024 г.Иваново, С. 41. (год публикации - 2024)

16. Лебедев М.А., Киселев А.Н., Юрина Е.С. Cинтез водорастворимого порфирина, содержащего N-метилпиридильные фрагменты и остаток индола для осаждения нуклеиновых кислот II Междисциплинарная всероссийская молодежная научная школа-конференция с международным участием «МОЛЕКУЛЯРНЫЙ ДИЗАЙН БИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ: БИОХИМИЧЕСКИЕ И МЕДИЦИНСКИЕ АСПЕКТЫ» (Казань, 2024): тезисы докладов. – Казань: ИОФХ им. А.Е. Арбузова – обособленное структурное подразделение ФИЦ КазНЦ РАН, II Междисциплинарная всероссийская молодежная научная школа-конференция с международным участием «МОЛЕКУЛЯРНЫЙ ДИЗАЙН БИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ: БИОХИМИЧЕСКИЕ И МЕДИЦИНСКИЕ АСПЕКТЫ» – Казань, 2024. – 111 с. (год публикации - 2024)

17. Киселев А.Н., Лебедев М.А., Сырбу С.А. Направленный синтез водорастворимых несимметричных гетерилпорфиринов для решения биомедицинских задач Материалы XV Международной конференции «Синтез и применение порфиринов и их аналогов» (ICPC-15). 24 – 29 июня 2024 г. Иваново: Материалы конференции. – ФГБОУ ВО Иван. гос. хим.-технол. ун-т. Иваново. 2024., Материалы XV Международной конференции «Синтез и применение порфиринов и их аналогов» (ICPC-15), 24 – 29 июня 2024 г.Иваново, С. 28. (год публикации - 2024)

18. Лебедева Н.Ш., Сырбу С.А. Перспективы использования асимметричных водорастворимых порфиринов для инактивации патогенов Материалы XV Международной конференции «Синтез и применение порфиринов и их аналогов» (ICPC-15). 24 – 29 июня 2024 г. Иваново: Материалы конференции. – ФГБОУ ВО Иван. гос. хим.-технол. ун-т. Иваново. 2024, Материалы XV Международной конференции «Синтез и применение порфиринов и их аналогов» (ICPC-15), 24 – 29 июня 2024 г.Иваново, С. 8 (год публикации - 2024)

19. Лебедева Н.Ш., Юрина Е.С. Porphyrins as Polyfunctional Ligands for Binding to DNA. Prospects for Application Russian Journal of Bioorganic Chemistry, Russian Journal of Bioorganic Chemistry, 2024, Vol. 50, No. 6, pp. 2567-2579 (год публикации - 2024)
10.1134/S1068162024060360

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Проведен направленный синтез несимметричных водорастворимых порфиринов, содержащих на периферии молекулы активные остатки малых молекул – цитидина, фенола, 2-нафтола. Для введения на периферию порфиринового макроцикла остатка цитидина была выбрана стратегия последовательного алкилирования 5-(4ʹ-гидроксифенил)- 10,15,20-три(-пиридиний-3ʹ-ил)порфирина сначала дигалогеналканом (1,2-дибромэтаном и 1,4-дибромбутаном) в присутствии поташа, а затем цитидином по первичной гидроксильной группе. Для введения на периферию порфиринового макроцикла остатков фенола и 2-нафтола был выбран другой путь: первоначально двухступенчатой реакцией были получены арилальдегиды с «привязанными» остатками фенола и 2-нафтола, которые далее совместно с 3-пипидилкарбальдегидом были использованы в реакции смешано-альдегидной конденсации с пирролом. Для получения водорастворимых порфиринов полученные порфирины были кватернизированы иодистым метилом по пиридильным фрагментам. Получено 6 новых порфиринов, структура которых подтверждена методами УФ, ИК, 1H ЯМР спектроскопии и масс- спектрометрии. Изучены спектральные свойства синтезированных порфиринов. Установлено, что в растворах происходит самоассоциация порфиринов, организованных по типу мицелл ПАВ, т.е. с ориентацией гидрофобных периферийных заместителей порфирина внутрь самоассоциата. Показано, что в составе самоассоциатов реализуется частичное экранирование порфиринового макрокольца от тушителей флуоресценции - молекул воды. Установлено, что синтезированные порфирины являются фотостабильными и демонстрируют высокие выходы синглетного кислорода, т.е. могут быть использованы для фотодеградации биосубстратов по типу II. Другие активные формы кислорода синтезированные порфирины практически не генерируют. С применением широкого ряда методов физической химии были изучены процессы комплексообразования синтезированных порфиринов с репрезентативными олигонуклеотидами (poly[d(GC)2], poly[d(AT)2]) и ДНК тимуса теленка. На основании комплексного анализа величин сродства нуклеиновых кислот к порфиринам, анализа кинетики тушения флуоресценции, изменения вязкости при комплексообразовании, данных реологического теста и результатов анализа размеров частиц до и после комплексообразования, в каждой исследованной системе установлен вид образующихся комплексов: 1) полуинтеркаляционный, при таком варианте связывания порфирина нуклеиновой кислотой происходит частичная интеркаляция порфиринового макрокольца в одну из цепей ДНК и нарушается конформация второй цепи ДНК (порфирины с остатками нафтола, порфирины с остатками цитозина с poly[d(GC)2]); 2) интеркаляция функциональных заместителей порфиринов между азотистыми AT- и GC-основаниями нуклеиновых кислот (порфирины с остатком фенола с poly[d(GC)2], порфирины с остатком нафтола с poly[d(АТ)2]); 3) двухцентровое взаимодействие синтезированных порфиринов с нуклеиновыми кислотами за счет интеркаляции функционального заместителя между азотистыми основаниями при одновременном связывании порфиринового макрокольца в бороздке ДНК (порфирин с остатком фенола на длинном спейсере с poly[d(АТ)2]); 4) связывание порфирина в бороздке (порфирин с остатком фенола на коротком спейсере с poly[d(АТ)2], порфирины с остатком цитозина с poly[d(АТ)2] и poly[d(GC)2]). Установлено, что увеличение длины полиоксиметиленового спейсера обеспечивает возможность двух центрового взаимодействия порфирина с нуклеиновыми кислотами. Показано, что наличие в составе спейсера остатка сахара, придает спейсеру жесткость, что не позволяет реализовать двух центровое взаимодействие порфиринов с остатком цитозина с poly[d(GC)2] /ДНК, в указанных системах одновременно образуется интеркаляционный комплекс и комплекс с внешней бороздкой. Доказано, что комплексообразование нуклеиновых кислот с синтезированными порфиринами (исключая порфирин с остатком фенола на коротком спейсере) вызывает глобальные изменения в конформации нуклеиновых кислот и их агрегационном состоянии. Показано, что связывание НК с порфиринами приводит к общему уменьшению теплоемкости растворов, т.е. независимо от типа образующихся комплексов, система стабилизируется. Нагревание растворов комплексов приводит к возрастанию удельной теплоемкости cPi и ΔcPi с разным наклоном, который определяется, вероятно, структурой и типом образующихся комплексов, а также изменением коллективных по своей природе гидрофобных взаимодействий. Результаты термохимических исследований проанализированы по модели, включающей структурные изменения, связанные с взаимодействиями НК-порфирин, а также вклады структурных изменений, обусловленные разрывом связей Tris …Tris и НК.…Tris в составе комплекса до и после фотооблучения. Установлено, что наибольшие структурные изменения характерны для комплексов: порфирина с нафтолом с длинным спейсером с poly[d(AT)2], порфирина с цитозином с коротким спейсером, связанным в бороздке poly[d(GC)2], порфирина с фенолом с длинным спейсером, заместитель которого интеркалирует между азотистыми основаниями poly[d(GC)2]. Установлено, что взаимодействие порфирина с остатком фенола на длинном спейсере с ДНК приводит к образованию осадка, что может иметь важное практическое значение, связанное с оптимизацией процессов концентрирования и выделения высокомолекулярных ДНК при проведении сложных генетических анализов, таких как секвенирование, генотипировании, т.е. в тех случаях, когда необходим максимально сохранный образец ДНК. Спектральными, гидродинамическими и электрофоретическим методами проведены исследования фотооблучения комплексов синтезированных порфиринов с НК. Анализ спектров поглощения и флуоресценции исследуемых систем показал, что при фотооблучении не происходит высвобождение порфиринов. Методом ДСК установлено, что процесс облучения комплексов НК с порфиринами способствует значительному уменьшению, как доли структурных изменений, связанных с взаимодействиями НК-порфирин, так и доли разорванных связей Tris …Tris и NA…Tris для комплексов poly[d(AT)2] и ДНК с порфиринами, а для комплексов порфиринов с poly[d(GC)2] эти изменения существенно меньшие. Установлена высокая степень фотодеструкции нуклеиновых кислот в составе комплексов: Н2-poly[d(AT)2], Ф2-poly[d(GC)2], Н4-poly[d(GC)2], Н2-ДНК, Н4-ДНК. Следует отметить, что эффективность фотодеградации нуклеиновых кислот не симбатна эффективности генерации синглетного кислорода порфиринами, что обусловлено различным микроокружением порфиринов, его разной устойчивости к фотодеградации, а в случае олигонуклеотидов – процессами ассоциации комплексов. Результаты работ опубликованы в 3 статьях и представлены на 5 профильных конференциях. Подана заявка на патент РФ к настоящему времени, прошедшая формальную экспертизу.

Публикации