КАРТОЧКА ПРОЕКТА,
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 21-73-20202

НазваниеРазработка эффективных подходов к направленному извлечению компонентов с заданной биологической активностью из природных гуминовых систем

РуководительВолков Дмитрий Сергеевич, Кандидат химических наук

Организация финансирования, регионФедеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Московский государственный университет имени M.В.Ломоносова», г Москва

Годы выполнения при поддержке РНФ 2021 - 2024 

КонкурсКонкурс 2021 года по мероприятию «Проведение исследований на базе существующей научной инфраструктуры мирового уровня» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Объект инфраструктуры Центр коллективного пользования Института органической химии РАН

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 словасложные системы, гуминовые вещества, химическое разнообразие, направленное фракционирование, биологическая активность, ингибиторы бета-лактамаз, анти-ВИЧ активность, многомерная хроматография, масс-спектрометрия ионно-циклотронного резонанса с преобразованием Фурье, свертка информации, машинное обучение

Код ГРНТИ31.23.99


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Проблема поиска новых источников и типов биологически активных природных соединений является важнейшей задачей современной химии, так как от доступности и эффективности таких соединений зависит как появление новых технологий здоровьесбережения, так и улучшение действенности антибактериальных и антивирусных препаратов. Одним из наиболее интересных и мало изученных классов биологически активных природных соединений являются гуминовые вещества. Они образуются в результате окислительного разложения биомакромолекулярных прекурсоров – лигнинов, таннинов, полисахаридов, белков и липидов. Как следствие, для их строения характерна экстремальная гетерогенность. Гуминовые вещества обладают широким спектром биологической активности, включая антиоксидантные и антивирусные свойства, способность связываться с белками, и т.д. При этом для них характерна очень низкая токсичность (они не токсичны во всем диапазоне природных содержаний) и хорошая растворимость в воде. Это позволяет рассматривать компоненты ГВ в качестве идеальных кандидатов как для основной, так и адъювантной терапии. В то же время их широкому использованию препятствует экстремальная гетерогенность и высокий уровень изомерной сложности их молекулярного состава. В связи с этим конкретной задачей проекта является разработка эффективных подходов к направленному извлечению компонентов с заданной активностью из природных гуминовых веществ. Для решения данной задачи планируется существенно повысить разделительную способность многомерной хроматографии за счет предфракционирования ГВ на картриджах для твердофазной экстракции (ТФЭ) по величине кислотности (pKa) компонентов, или по полярности, с последующим разделением по ортогональным координатам: «молекулярная масса» (использование гель-хроматографической колонки) и «полярность» (использование обращенно-фазовой колонки). Впервые будет выполнено углубленное изучение химического разнообразия полученных по разным схемам тонких фракций ГВ с помощью масс спектрометрии ионно-циклотронного резонанса (МСИЦР ПФ). Свертка полученной информации о типах взаимосвязи между молекулярным составом, биологической активностью и схемой фракционирования ГВ будет осуществлена методами машинного обучения в виде прогностической модели, которая сможет предсказывать схему фракционирования для выделения фракции ГВ с заданной биологической активностью на основании данных о молекулярном составе исходного образца ГВ. Тем самым будет впервые реализована возможность направленного выделения «пикселя» молекулярного пространства ГВ, вернее, его проекции на диаграмму Ван Кревелена. Масштаб решаемой задачи определяется тем, что разработанный алгоритм будет достаточно унифицированным и применимым для различных типов гуминовых систем, ресурсами которых являются огромные запасы ископаемого органогенного сырья (окисленный уголь, торф, сапропель), продукты переработки растительного и белкового сырья, мумие, и другие оксигенированные системы, которые не подлежат разделению путем ректификации. По сути, в рамках данного проекта будет решаться задача поиска аналогов ректификационной колонне для получения тонких молекулярных фракций кислородсодержащих прекурсоров из природных многокомпонентных систем.

Ожидаемые результаты
В результате выполнения проекта будут решены несколько крупных теоретических и практических задач и получены важные научно-практические результаты. Так, будет сформирована представительная выборка образцов ГВ различного происхождения (уголь, торф, пелоиды) и получен блок данных, полученных методом масс-спектрометрии ион-циклотронного резонанса с преобразованием Фурье с ионизацией электроспреем (МС ИЦР ПФ ЭР) по их молекулярному составу с использованием основного объекта инфраструктуры – масс спектрометра solariX 15T. Важным результатом проекта станет разработка различных схем тонкого фракционирования ГВ, включая принципиально новый– предфракционирование на картриджах ТФЭ по величине кислотности (pKa) компонентов, или по полярности, с последующим разделением по ортогональным координатам: «молекулярная масса» (использование гель-хроматографической колонки) и «полярность» (использование обращенно-фазовой колонки). Введение стадии «предфракционирования» позволит существенно увеличить разделительную способность двумерной хроматографии и, как следствие, увеличит разрешающую способность МСИЦР ПФ спектрометра. В результате будет получен беспрецедентный пул данных о молекулярном составе каждого образца ГВ, полученный как суперпозиция данных о молекулярном составе тонких фракций ГВ, выделенных с помощь. различных схем фракционирования. Обработка данного пула методами байесовской статистики и машинного обучения впервые позволит получить представление о «полном» молекулярном составе ГВ и построить модель для предсказания “пропущенных сигналов” в спектре ГВ. Следует отметить, что помимо данных о молекулярном составе для всех узких и тонких фракций ГВ будут получены результаты об оптических свойствах, особенностям строения и биологической активности всех фракций. В частности, будет исследована ингибирующая активность гуминовых веществ в отношении бета-лактамаз, анти-ВИЧ активность и антиоксидантная активность. Особенно интересными могут быть данные по электрохимическим свойствам тонких фракций, которые будут получены впервые. Обработка блоков данных по молекулярному составу и биологической активности тонких фракций ГВ позволит установить взаимосвязь между молекулярным составом фракций, типом биологической активности и приложенной схемой фракционирования. Результатом свертки информации об указанных взаимосвязях методами машинного обучения станет модель, способная предсказывать схему фракционирования для выделения фракции ГВ с заданной биологической активностью на основании данных о молекулярном составе исходного образца ГВ. Тем самым будет впервые реализована возможность направленного выделения «пикселя» молекулярного пространства ГВ, вернее, его проекции на диаграмму Ван Кревелена. По сути, это равнозначно изобретению «ректификационной колонны» для получения тонких молекулярных фракций кислородсодержащих прекурсоров из природных многокомпонентных систем методами автоматизированного фракционирования. Описанные выше результаты имеют несомненную научную и общественную значимость и могут быть использованы в экономике и социальной сфере. Это связано с огромными запасами гуминовых веществ, которые содержатся в составе ископаемого органогенного сырья (окисленный уголь, торф, сапропель), продуктов переработки растительного и белкового сырья, мумие, и других оксигенированных системах, которые не подлежат разделению путем ректификации. Существенный вклад в выбранное направление Н2 Стратегии развития НТР РФ обусловлен тем, что проблема поиска новых источников и типов биологически активных природных соединений полностью отвечает данному приоритету. От доступности и эффективности таких соединений зависит как появление новых технологий здоровьесбережения, так и улучшение действенности антибактериальных и антивирусных препаратов. Гуминовые вещества являются одним из наиболее интересных и мало изученных классов биологически активных природных соединений. Они обладают широким спектром биологической активности, включая антиоксидантные и антивирусные свойства, способность связываться с белками, и т.д. При этом для них характерна очень низкая токсичность (они не токсичны во всем диапазоне природных содержаний) и хорошая растворимость в воде. Это позволяет рассматривать компоненты ГВ в качестве идеальных кандидатов как для основной, так и адъювантной терапии. Разработке технологичных способов получения гуминовых прекурсоров в промышленно значимых количествах и посвящен данный проект.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2021 году
Сформирована представительная выборка препаратов ГВ различного происхождения (уголь, пелоиды, почва, торф, лигнин, речная вода) и фракционного состава (нефракционированные препараты, гуминовые кислоты (ГК), фульвокислоты (ФК), гиматомелановые кислоты (ГМК)), охватывающая практически все хемотипы соединений, присутствующих в природных гуминовых системах. Молекулярный состав сформированной выборки ГВ охарактеризован как качественно, так и количественно методом МС ИЦР ПФ. Найдены характерные различия между молекулярными составами ГВ различного происхождения и различного фракционного состава Выполнено препаративное фракционирование гуминовых, гиматомелановых и фульвокислот угля, торфа и пелоидов методом твердофазной экстракции (ТФЭ) по полярности и по кислотности. Получена широкая выборка узких фракций ГВ (около 80 препаратов), которые проанализированы методом МС ИЦР ПФ. Для узких фракций ГВ рассчитаны дескрипторы молекулярного состава, отвечающие основным хемотипам биологически активных соединений, входящих в состав молекулярного ансамбля ГВ. Выявлено закономерное изменение молекулярного состава узких фракций ГВ: с ростом полярности элюента и рН среды: наблюдалось увеличение доли окисленных фрагментов, таких как гидролизуемые танины и углеводы, в то время как падала доля низко-окисленных конденсированных танинов и фенилизопропаноидов, а также терпеноидо-подобных соединений. Рассчитан пул дескрипторов молекулярного состава в виде 20-мерных векторов, описывающих плотность заселенности диаграмм ван Кревелена. Показана применимость данных дескрипторов для определения степени подобия (попарные коэффициенты корреляции) каждого набора фракций. Как и ожидалось, наиболее подобны друг другу оказались соседние фракции, а с увеличением разрыва в кислотности/полярности подобие фракций заметно снижалось. Во многих случаях удалось добиться высокой степени разделения молекулярных составов ГВ методом ТФЭ: коэффициент корреляции между фракциями при увеличении разницы в кислотности/полярности стремился к 0. Качество разделения может быть и далее улучшено применением методов 2D-фракционирования. Найдены и опробованы оптимальные условия для препаративного выделения фракций методом эксклюзионной хроматографией. Для этой цели выполнен целый блок фракционирования на аналитических и полупрепаративных колонках. Большое внимание уделено подбору буфера. Впервые были получены фракции, являющиеся результатом 2D фракционирования следующим образом: 1) фракционирования методом ТФЭ по кислотности; 2) фракционирования эксклюзионной хроматографией. Широкий пул полученных фракций с различной молекулярной массой был охарактеризован методом МС ИЦР ПФ. Это позволило установить наличие характеристичной взаимосвязи между молекулярной массой и доминирующим структурным типом компонентов ГВ: наибольшее содержание ароматических структур совпадает с максимумом молекулярно-массового распределения. Для наборов полученных узких фракций были зарегистрированы и обработаны спектры поглощения в УФ и видимой областях (более 100 спектров). Были рассчитаны дескрипторы спектров поглощения, связанные с такими параметрами как степень гумификации, средний размер молекулы и длина и степень взаимодействия в цепочке хромофоров/флуорофоров. Установлена взаимосвязь этих оптических дескрипторов с полярностью/кислотностью фракций. Кроме того, был выполнен начальный блок изысканий по поиску взаимосвязи между флуоресцентными свойствами фракций и их молекулярным составом. Были получены 3D-матрицы возбуждения-эмиссии флуоресценции и рассчитаны коэффициенты асимметрии полосы флуоресценции, которые позволили установить связь между полярностью фракции и коэффициентом асимметрии (аналог индекса гумификации). Изучение молекулярно-массового распределения фракций показало более узкие ММР по сравнению с исходными препаратами и меньшие значения средних молекулярных масс. Для фракций гумииновых и гиматомелановых кислот угля, разделенных по полярности и кислотности, был получен обширный блок данных по ингибирующей активности по отношению к бета-лактамазам TEM-1, мутантам TEM-1, а также к бета-лактамазе CTX-M типа. Благодаря фракционированию методом ТФЭ удалось выделить фракции, превосходящие по ингибирующей активности исходные препараты ГВ. Наибольшую ингибирующую активность проявляли фракции с наименьшей полярностью/кислотностью. Установлена решающая роль вклада конденсированных таннинов (флавоноидов) и лигнин-подобных соединений в молекулярный состав ГВ для достижения максимального ингибирующего эффекта. Установлено наличие синергетического эффекта между узкими фракциями ГВ и сульбактамом по отношению к бета-лактамазе TEM-1. Разработан подход для оценки подобия молекулярных составов гуминовых веществ, основанный на переходе в 20-мерное пространство путем расчета заселенности диаграммы ван Кревелена. Разработан алгоритм и программное обеспечение для обработки данных масс-спектрометрии ИЦР ПФ гуминовых веществ, включая расчет 20-мерных векторов, и их применение для установления количественных взаимосвязей «молекулярный состав - биологическая активность». Построены прогностические модели «молекулярный состав – анти-ВИЧ активность» для узких фракций ГМК с известными молекулярными составами, которые показали ведущую роль конденсированных таннинов (флавоноидов) не только для беталактамазной, но и для анти-ВИЧ активности узких фракций ГВ. Это указывает на перспективность глубокого фракционирования для направленного выделения биологически активных фракций из сложного молекулярного ансамбля ГВ.

 

Публикации

1. - Команда химиков во главе с к.х.н., в.н.с. Дмитрием Сергеевичем Волковым и д.х.н., г.н.с. Ириной Васильевной Перминовой занимается поиском и изучением источников биологически активных веществ, в частности, гуминовыми веществами (ГВ). Facebook, Пост от 30 сентября 2021 года #химфакмгу #химия #chemistry #chemistryofmsu #msu (год публикации - ).

2. - Команда химиков во главе с к.х.н., в.н.с. Дмитрием Сергеевичем Волковым и д.х.н., г.н.с. Ириной Васильевной Перминовой занимается поиском и изучением источников биологически активных веществ, в частности, гуминовыми веществами (ГВ). VK, 30 сен. 2021 в 18:47 (год публикации - ).

3. Бадун Г.А., Чернышева М.Г., Жернов Ю.В., Порошина А.С., Смирнов В.В., Пигарев С.Е., Михневич Т.А., Волков Д.С., Перминова И.В., Федорос Е.И. A use of tritium labeled peat fulvic acids and polyphenolic derivatives for designing pharmacokinetic experiments on mice Biomedicines, 9, 12, 1787 (год публикации - 2021).

4. Владимиров С.А., Орлов А.А., Рухович Г.Д., Рубцова М.Ю., Перминова И.В. Molecular modelling of interactions of the probable individual components of humic substances with β-lactamase Sixth International Conference of the CIS IHSS on humic innovative technologies "Humic substances and ecoadaptive technologies", стр. 70-71 (год публикации - 2021).

5. Михневич Т.А., Безпалая Е.Ю, Григоренко В.Г., Бурыкина Ю.В., Перминова И.В. Molecular composition – inhibition activity relationships for humic substances narrow fractions sets obtained by solid-phase extraction Sixth International Conference of the CIS IHSS on humic innovative technologies "Humic substances and ecoadaptive technologies", стр. 55-56 (год публикации - 2021).

6. Михневич Т.А., Рубцова М.Ю., Григоренко В.Г., Рухович Г.Д., Бурыкина Ю.В., Перминова И.В. Humic substances narrow fractions potentiate inhibitory activity of sulbactam with respect to β-lactamase TEM-1 20th Conference Of The International Humic Substances Society, 0, 0 (год публикации - 2021).

7. Рухович Г.Д., Ларионов К.С., Жернов Ю.В., Перминова И.В. Analysis of the biological anti-HIV activity of humic substances based on data on the molecular composition Sixth International Conference of the CIS IHSS on humic innovative technologies "Humic substances and ecoadaptive technologies", стр.61-62 (год публикации - 2021).

8. Хрептугова А.Н., Михневич Т.А., Молодых А.А., Мельникова С.В., Константинов А.И, Рухович Г.Д., Воликов А.Б., Перминова И.В. Comparative Studies on Sorption Recovery and Molecular Selectivity of Bondesil PPL versus Bond Elut PPL Sorbents with Regard to Fulvic Acids Water, Water 2021, т. 13, № 24, 3553, с. 1-15 (год публикации - 2021).

9. Хрептугова А.Н., Молодых А.А., Рухович Г.Д., Мельникова С.В., Константинов А.И., Перминова И.В. Large-scale SPE-filtration system based on a use of Bondesil-PPL bulk sorbent for isolation of gram quantities of DOM from marine water Sixth International Conference of the CIS IHSS on humic innovative technologies "Humic substances and ecoadaptive technologies", стр. 46-47 (год публикации - 2021).