Научные достижения

Основные научные достижения

Полимерные микрокапсулы с управляем вскрытием под действием микроволн и локальным термоконтролем

С использованием метода послойной адсорбции полиэлектролитов разработаны полимерные капсулы, дистанционно разрушающиеся под действием микроволнового излучения за счет включения наноалмазов в состав оболочки. Для исследования термоэффекта созданы капсулы с полифункциональными многослойными оболочками, содержащими наноалмазы и апконвертирующие наночастицы (нанофосфоры) в полиэлектролитной матрице. Наноалмазы усиливают локальный разогрев микрокапсул, в то время как апконвертирующие наночастицы выполняют роль люминесцентного термодатчика.

Микроволновое облучение приводит к нагреву полиэлектролитной оболочки капсулы и ее контролируемому разрушению с последующим высвобождением инкапсулируемого материала. Люминесценцию апконвертирующих наночастиц использовали для определения локальной температуры оболочки капсулы в наноразмерном диапазоне при СВЧ-обработке. Предложенный новый подход, обеспечивающий контролируемое разрушение микрокапсул, может быть использован при разработке платформ тераностики различных заболеваний.

1. T. Borodina, D. Trushina, V. Artemov, T. Bukreeva, D. Shchukin. Modification of the polyelectrolyte capsule shell by nanodiamonds for remote microwave opening. // Materials Letters, 2019. V. 251. P. 81-84.
DOI: 10.1080/02652048.2019.1571642

2. T. Borodina, D. Yurina, A. Sokovikov, D. Karimov, T. Bukreeva, E. Khaydukov, D. Shchukin. A microwave-triggered opening of the multifunctional polyelectrolyte capsules with nanodiamonds in the shell composition. // Polymer, 2021. V. 212. P. 123299.
DOI: 10.1016/j.polymer.2020.123299

Схема разрушения оболочек нанокапсул вследствие нагрева наноалмазов (А).

Вид капсулы до микроволнового воздействия (В),

во время раскрытия

Схематическое изображение установки

для исследования термоэффекта (E) и изменение

локальной температуры в оболочке капсул

под воздействием СВЧ-излучения

Биодеградируемые субмикрокапсулы для химиотерапии рака

Разработаны многослойные биодеградируемые капсулы из комплекса полипептид/полисахарид средним диаметром 250 нм, которые имеют высокую степень загрузки низкомолекулярными химиотерапевтическими препаратами. Используемая новая методика усадки биополимерных капсул под действием температуры заключается в создании условий для увеличения подвижности полимерных цепей в многослойной оболочке и рекомбинации электростатических связей заряженных групп. Применение термоусадки позволяет уменьшить размер капсул вдвое и одновременно инкапсулировать молекулы доксорубицина за счет создания более плотной многослойной оболочки.

Как показали эксперименты in vitro, инкапсулированный таким способом доксорубицин не только сохраняет свою активность в отношении клеток рака аденокарциномы молочной железы MCF-7, но и эффективен для лекарственно-устойчивой линии MCF-7/ADR .

В экспериментах in vivo подтверждена эффективность сочетанной терапии с использованием инкапсулированных форм гемцитабина и клодроната. Показано, что доставка инкапсулированного клодроната позволяет блокировать функцию опухолеассоциированных макрофагов, что является перспективным подходом для лечения метастаз.

1. D.B. Trushina, T.V. Bukreeva, T.N. Borodina, D.D. Belova, S. Belyakov, M.N. Antipina. Heat-driven size reduction of biodegradable polyelectrolyte multilayer hollow capsules assembled on CaCO3 template. // Colloids and Surfaces B: Biointerfaces, 2018. V. 170. P. 312–321.
DOI: 10.1016/j.colsurfb.2018.06.033

2. D. Trushina, T. Bukreeva, A. Khovankina, R. Akasov, E. Markvicheva, T. Borodina Doxorubicin-loaded biodegradable capsules: temperature induced shrinking and study of cytotoxicity in vitro. // Journal of Molecular Liquids, 2019. V. 284. P 215–224.
DOI: 10.1016/j.molliq.2019.03.152

3. M.V. Novoselova, H.M. Loh, D.B. Trushina et al. Biodegradable Polymeric Multilayer Capsules for Therapy of Lung Cancer. // ACS Applied Materials & Interfaces, 2020. V. 5. P. 5610–5623.
DOI: 10.1021/acsami.9b21381

Открытие структуры эктодомена инсулиноподобной рецепторной тирозинкиназы по данным малоуглового рентгеновского рассеяния и атомно-силовой микроскопии

Рецептор, подобный инсулиновому рецептору (IRR) принадлежит к суперсемейству рецепторных тирозинкиназ. Тирозинкиназы регулируют различные жизненно важные процессы в организме. IRR был открыт в 1989 году, но его структура и функции долгое время не были известны. Поэтому он был отнесен в белкам, которые в научной литературе называются сиротскими. В 2005 году сотрудниками ИБХ РАН впервые было показано, что этот белок активизируется исключительно при изменении кислотно-щелочного баланса. Необычные функциональные свойства этого рецептора привлекли внимание исследователей всего мира, однако его структура впервые была определена сотрудниками Института кристаллографии и соавторами из других организаций только в 2019 году методами малоуглового рентгеновского рассеяния (МУРР) и атомно-силовой микроскопии (АСМ), исключив наконец этот белок из разряда сиротских.

Структура IRR (а) и сравнение ее со структурой инсулинового рецептора (b);

структура IRR. найденная с помощью АСМ

с наложеной структурой, полученной с помощью МУРР

E.V. Shtykova, M.V. Petоukhov, A.A. Mozhaev, I.E. Deyev, L.A. Dadinova, N.A. Loshkarev, C.M. Jeffries, D.I. Svergun, O.V. Batishchev, A.G. Petrenko. The dimeric ectodomain of the alkali-sensing insulin receptor–related receptor (ectoIRR) has a droplike shape. // Journal of Biological Chemistry, 2019. V. 294. P. 17790-17798. DOI: 10.1074/JBC.RA119.010390.

Кристаллизация в живых клетках как защитная реакция и фактор бактериальной резистентности

При сильном или длительном стрессе бактерии продуцируют неспецифический ДНК-связывающий белок Dps, который эффективно защищает ДНК от повреждающих агентов как in vitro, так и in vivo, образуя устойчивые биокристаллы. Обнаружение кристаллических структур в живых клетках и связь этого феномена с бактериальной резистентностью к антибиотикам вызвало огромный интерес к изучению этого явления. Однако результаты исследований были противоречивы, а кристаллическая структура Dps-ДНК комплекса так и не была определена. В 2019 году впервые анализ процесса совместной кристаллизации Dps-ДНК in vitro был успешно проведен нами с использованием двух взаимодополняющих структурных методов: синхротронного малоуглового рентгеновского рассеяния и криоэлектронной томографии и определены параметры решетки кристаллического Dps -ДНК комплекса в разных условиях.

Определение параметров решетки кристаллического Dps -ДНК комплекса

L.A. Dadinova, Yu.M. Chesnokov, R.A. Kamyshinsky, I.A. Orlov, M.V. Petoukhov, A.A. Mozhaev, E.Yu. Soshinskaya, V.N. Lazarev, V.A. Manuvera, A.S. Orekhov, A.L. Vasiliev, E.V. Shtykova. Protective Dps‐DNA co‐crystallization in stressed cells: an in vitro structural study by small‐angle X‐ray scattering and cryo‐electron tomography. // FEBS Letters, 2019. V. 593. P. 1360-1371. DOI: 10.1002/1873-3468.13439.

Обнаружение с помощью малоуглового рентгеновского рассеяния тетрамерной структуры неорганических CBS-пирофосфатаз, выделенных из разных бактерий

Четвертичная структура CBS-пирофосфатаз (CBS-PPase) играет важную роль в их функции, обеспечивая кооперативное поведение этих ферментов. Несмотря на интенсивные исследования, структур высокого разрешения полноразмерных CBS-PPase получено не было, что затрудняет определение путей передачи сигнала от регуляторного домена к активному центру. В настоящей работе малоугловое рентгеновское рассеяние (МУРР) в сочетании с методом эсклюзионной хроматографии было использовано для определения структур полноразмерных CBS-Pase дикого типа, выделенных из трех различных видов бактерий. Ранее считалось общепринятым предположение о димерном строении этих ферментов. Наш анализ впервые показал существование стабильных тетрамеров. Полученные структурные результаты демонстрируют многоуровневый механизм регуляции CBS-пирофосфатаз и необходимы для понимания путей передачи информации между регуляторными и каталитическими центрами. Это особенно важно, так как некоторые опасные патогены человека содержат эти ферменты.

Определение структур полноразмерных CBS-Pase дикого типа, выделенных из трех различных видов бактерий

L.A. Dadinova, E.Yu. Soshinskaya, C.M. effries, D.I. Svergun, E.V. Shtykova. Tetrameric structures of inorganic CBS-pyrophosphatases from various bacterial species revealed by small-angle X-ray scattering in solution. // Biomolecules, 2020. V. 10. P. 564; DOI: 10.3390/biom10040564.

Цитоплазматический домен гемагглютинина вируса гриппа A H1N1 и состав мембранных липидов определяют характер ассоциации белка М1 с липидным бислоем

Вирус гриппа, А H1N1, SARS-CoV-2, и другие опасные патогены относятся к классу оболочечных вирусов. Они содержат липопротеиновую оболочку, которая обеспечивает проникновение нуклеокапсида вируса в клетку-хозяина посредством слияния вирусных и клеточных мембран. Этот процесс общий для всех оболочечных вирусов и требует тщательного изучения для выработки стратегии борьбы с вирусными заболеваниями. В оболочке вируса гриппа одним из основных интегральных вирусных белков является гемагглютинин (HA), с которым взаимодействует матриксный белок M1. Последний обеспечивает форму вируса и участвует в формировании инфекционных вирионов внутри клетки. Поэтому изучение взаимодействия НА и М1 как между собой, так и с липидами мембраны представляется весьма актуальной задачей.
В данной работе методом малоуглового рентгеновского рассеяния (МУРР) впервые была обнаружена специфическая роль гемагглютинина в упорядочении вирусной липидной мембраны. Новый подход к анализу данных МУРР позволил показать, что гемагглютинин стимулирует олигомеризацию белка M1 на поверхности липидного бислоя, способствуя формированию вирусного матрикса во время сборки вирусных частиц.

Анализ электронной плотности липидных бислоев при взаимодействии нативных и синтетических липосом с матриксным белком M1 по данным МУРР

L.V. Kordyukova, P.V. Konarev, N.V. Fedorova, E.V. Shtykova, A.L. Ksenofontov, N.A. Loshkarev, L.A. Dadinova, T.A. Timofeeva, S.S. Abramchuk, A.V. Moiseenko, L.A. Baratova, D.I Svergun, O.V. Batishchev. The Сytoplasmic Tail of Influenza A Virus Hemagglutinin and Membrane Lipid Composition Change the Mode of M1 Protein Association with the Lipid Bilayer // Membranes, 2021. V. 11. P. 72. DOI: 10.3390/membranes11100772