Изучение взаимодействий полиэлектролитных комплексов и белковых структур для создания высокочувствительных сенсоров вирусных заболеваний

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 21-73-10185

НазваниеИзучение взаимодействий полиэлектролитных комплексов и белковых структур для создания высокочувствительных сенсоров вирусных заболеваний

Руководитель Муравьев Антон Андреевич, Кандидат химических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет ИТМО" , г Санкт-Петербург

Конкурс №61 - Конкурс 2021 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах; 03-405 - Наноструктуры и кластеры. Супрамолекулярная химия. Коллоидные системы.

Ключевые слова антитела, антигены, ферменты, полиэлектролиты, полиэлектролитные комплексы, слой-за-слоем, сенсоры, электроанализ

Код ГРНТИ31.27.20

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Потребность последних лет в быстром выпуске новых систем детектирования вирусных заболеваний продемонстрировала отсутствие универсального подхода к их созданию. В первую очередь это объясняется проблемой сохранения активности иммобилизованных антител или антигенов на подложке в составе тест-систем. Наиболее распространенным способом иммобилизации чувствительных биораспознающих молекул на подложке является ковалентная сшивка. Преимуществом такого метода является иммобилизация воспроизводимого количества молекул. Существенным недостатком служит блокировка активных центров биологических молекул (антител, антигенов и ферментов), что приводит к изменению стехиометрии биохимических реакций, и, следовательно, снижению чувствительности и селективности реакции. Всё это приводит к увеличению времени создания тест-систем для детектирования новых вирусных заболеваний, например вируса SARS-CoV-2. Существуют фундаментальные научные исследования, которые предлагают использовать в качестве способа иммобилизации биологических чувствительных молекул на поверхности подложки последовательно адсорбированные слои полиэлектролитов. Создание различных наноархитектур слоев полиэлеткролитов для иммобилизации антител, антигенов и ферментов демонстрирует возможность увеличения количества иммобилизованных биочувствительных молекул, что в свою очередь приводит к повышению чувствительности тест-систем. Перспективы данного подхода уже продемонстрированы в моей группе, также предлагаемый подход позволяет избежать большого количества нанослоев полиэлектролитов путем создания гидрогелевых структур полиэлектролитных комплексов (Nikolaev et al. «Tick-Borne Encephalitis Electrochemical Detection by Multilayer Perceptron on Liquid–Metal Interface», ACS Applied Bio Materials, 2020) на поверхности подложки (Nikolaev et al. «ElectroSens Platform with a Polyelectrolyte-Based Carbon Fiber Sensor for Point-of-Care Analysis of Zn in Blood and Urine», ACS Omega, 2020). Эффективность применения полиэлектролитов достигается при использовании их ограниченного количества (Nikolaev et al. «Thin and Flexible Ion Sensors Based on Polyelectrolyte Multilayers Assembled onto the Carbon Adhesive Tape», ACS Omega, 2019). Основной стратегией является включение биологических полиэлектролитов (антител, антигенов и ферментов) в гидрогелевые полиэлектролитные комплексы, а также создание с помощью полиэлектролитных комплексов препятствия для проникновения мешающих определению вирусов белковых структур, чьи константы связывания близки к значениям селективных молекул. Предлагаемая стратегия подтверждается современным общемировым трендом создания функциональных интерфейсов. Предлагаемый новый подход для создания биосенсорного интерфейса, который обеспечит высокую чувствительность, позволит создавать сенсоры нового поколения. Целью проекта является исследование биоселективных взаимодействий в слоях полиэлектролитов разной архитектуры. Предлагаемый подход основан на том, что высокозаряженные внутренне неупорядоченные белковые структуры могут образовывать комплексы с очень высоким сродством друг к другу, в которых оба белка полностью сохраняют свою неупорядоченность и динамику (Nikolaev et al. «Programmable Soft-Matter Electronics», J. Phys. Chem. Lett. 2021). Их взаимодействие демонстрирует еще одну удивительную особенность: кинетика ассоциации/диссоциации зависит от концентрации белка. В частности, при низких концентрациях белка наблюдается медленный переход с ассоциированной на диссоциированной форму, подобно переключению с одного состояния на второе, в то время как при более высоких, физиологически значимых концентрациях переключение происходит быстро. Изменение в механизме может быть обусловлено образованием временных тройных комплексов белок-полиэлектролит-белок, термодинамически выгодных при высоких концентрациях белка, которые ускоряют обмен между связанными и несвязанными формами на порядки. Разупорядоченность в полиэлектролитных комплексах способствует (i) связыванию, ограниченному диффузией, (ii) переходному образованию тройного комплекса и (iii) быстрому обмену мономерами путем конкурентного замещения, которые вместе обеспечивают быструю кинетику. Таким образом, биологические полиэлектролиты могут поддерживать высокую чувствительность регуляторных сетей даже к взаимодействиям с чрезвычайно высоким сродством белков друг к другу. В проекте планируется исследование взаимодействий типа антитело-антиген и фермент-субстрат, их кинетики, при их включении в состав полиэлектролитов. Будет исследована селективность предложенных наноархитектур. В качестве модельных систем будут использованы вирусы, которые относятся к классу скрытых вирусных заболеваний: вирус герпеса, вирус папилломы человека и цитомегаловирус. Выбор таких аналитов объясняется потребностью в их контроле у большого количества населения. Протекая бессимптомно, скрытые вирусные инфекции вызывают воспаление и легко переходят в хроническую форму. Последствиями скрытых инфекций, передающихся половым путем, могут быть частые воспалительные заболевания мочеполовой сферы, сложности с зачатием, у мужчин — проблемы с потенцией, у женщин — с менструальным циклом и вынашиванием детей. В качестве способа детектирования в предложенной сенсорной платформе предлагается использовать электрохимическую детекцию. Электрохимический способ детектирования обладает высокой чувствительностью, по сравнению со спектрофотометрическим, в сочетании с низким потреблением биохимических реагентов. Аналитические характеристики, полученные таким способом, обладают высокой прецизионностью и воспроизводимостью. Данный метод подходит как для изучения фундаментальных свойств переноса заряда в биохимических системах, так и для применения в тест-системах. На основе результатов предложенного проекта будет предложена электрохимическая сенсорная платформа для детектирования скрытых вирусных заболеваний: вируса герпеса, вируса папилломы человека и цитомегаловируса. С учетом имеющегося научного задела у коллектива авторов в данной области и современного оснащения Университета ИТМО, в рамках которых планируется исследование, успешное выполнение проекта и всех заявленных индикаторов не вызывает сомнений. По результатам проекта, планируется опубликование не менее 9 статей в научных журналах cо средним импакт-фактором не ниже 2,5.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ