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 21-73-20067

НазваниеГибридные супрамолекулярные рецепторы как универсальная платформа медицинской диагностики: синтез и применение для самосборки бионаноматериалов для электрохимических биосенсоров

РуководительСтойков Иван Иванович, Доктор химических наук

Организация финансирования, регионфедеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Казанский (Приволжский) федеральный университет", Республика Татарстан (Татарстан)

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 «Центр исследования полимеров» ИСПМ РАН

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

Ключевые словаДНК, дендримероподобные соединения, электрохимические сенсоры, супрамолекулярная химия, самосборка, тиакаликсарены

Код ГРНТИ31.21.27


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Предлагаемый Проект посвящен развитию и практической реализации концепции гибридных супрамолекулярных рецепторов с применением систем на основе функционализированных циклофанов (тиакаликс[4]аренов с заместителями, содержащими катионные центры связывания) для самосборки биочувствительного слоя биосенсоров. Уникальные свойства супрамолекулярных систем и наноструктурированных материалов на основе ДНК (способность к связыванию низко- и высокомолекулярных субстратов, хиральность) позволяют использовать их в составе сенсоров и биосенсоров, как катализаторов ряда важных процессов, а также для адресной доставки лекарственных средств. Помимо других подходов к управлению рецепторными и агрегационными свойствами материалов на основе полинуклеотидов, регулирование их характеристик и контроль функций могут осуществляться путем конструирования гибридных структур, сочетающих фрагменты макроциклов и ДНК. Гибридные супрамолекулярные рецепторы – это ассоциаты природных (биомакромолекулы) и синтетических (макроциклы, дендримеры) рецепторных структур, способные к молекулярному распознаванию и последующему селективному взаимодействию с определенными аналитами. Гибридные супрамолекулярные рецепторы сочетают эффективность и селективность связывания и чувствительность распознавания субстратов, характерные для полинуклеотидов, с дополнительными функциями самосборки и распознавания, определяемыми природой заместителей в синтетических компонентах (макроциклах). Циклофаны благодаря способности к молекулярному распознаванию различных субстратов и к супрамолекулярной самосборке и самоорганизации представляются наиболее перспективными макроциклическими соединениями в составе таких гибридных рецепторов. В связи с этим конструирование полиэлектролитных комплексов циклофан-ДНК открывает возможности для разработки теоретических и практических основ создания новых эффективных рецепторов и электрохимических сенсоров и биосенсоров биомедицинского назначения. Проект соответствует приоритетному направлению «Индустрия наносистем» и относится к направлению из стратегии научно-технологического развития России «Биокаталитические, биосинтетические и биосенсорные технологии». Фундаментальная цель проекта – развитие теоретических и прикладных подходов к синтезу новых функционализированных производных циклофанов, способных к направленному взаимодействию с биополимерами, прежде всего, ДНК, выявление закономерностей самосборки полиэлектролитных комплексов ДНК-каликсарены и материалов на их основе с целью радикального улучшения операционных и аналитических характеристик биосенсоров. Достижение указанных целей базируется на контроле самосборки бионаноматериалов на основе полиэлектролитных комплексов ДНК-каликсарены для обеспечения условий селективного транспорта и накопления аналитов на границе биочувствительного слоя и электрода – преобразователя сигнала биосенсора. Вариации структуры и конфигурации циклофанов на стадии их синтеза обеспечат требуемую структуру и морфологию поверхности наночастиц биоматериалов. Их связь с преобразователем сигнала и необходимые условия переноса электрона будут обеспечены включением в рецепторные структуры редокс-активных компонентов, выполняющих функции медиаторов электронного переноса. Будут проведены комплексные исследования взаимодействия циклофан – ДНК в водных средах на примере модельных полинуклеотидов с целью выявления связей между структурой циклофана, особенностями сборки гибридных рецепторов и их поведением в условиях функционирования в составе биосенсора. Далее установленные закономерности будут расширены в соответствии с особенностями реализации функций распознавания и связывания аналитов на границе раздела фаз жидкость-поверхность биосенсора. В качестве модельных аналитов, востребованных в медицинской диагностике и фармацевтике, будут рассмотрены лекарственные препараты-цитостатики антрациклинового и фенотиазинового рядов, а также некоторые метаболиты – мочевая кислота, аскорбиновая кислота, дофамин и его структурные аналоги. Также будут рассмотрены возможности реализации самосборки супрамолекулярных ассоциатов с участием аптамеров на лекарственные препараты и микотоксины. Планируется осуществить поиск, оптимизацию структуры и синтез циклофанов, содержащих несколько аммониевых групп, как взаимно комплементарных компонентов полиэлектролитных комплексов ДНК-каликсарены с последующим их использованием в самосборке отдельных ассоциатов. Продукты самосборки будут охарактеризованы комплексом современных физических методов анализа (ЯМР, УФ, ИК, флуоресцентной спектроскопией, ДСР, АСМ микроскопией, масс-спектрометрией). Помимо них, поведение циклофанов и их полиэлектролитных комплексов с полинуклеотидами будет исследовано на границе электрод – раствор с привлечением электрохимических и гибридных методов анализа, включая спектроскопию электрохимического импеданса, дифференциально-импульсную вольтамперометрию, измерение поверхностного плазмонного резонанса, пьезокварцевое микровзвешивание и их электрохимические варианты. Будут изучены структурные закономерности самосборки циклофанов и ДНК и их влияние на процессы массопереноса в поверхностном слое сенсора и биосенсора. Полученные данные будут применены для оптимизации условий сборки ассоциатов макроциклов и ДНК в водной среде, контроля и оптимизации состава поверхностного слоя биосенсоров, а также для выбора условий реализации окислительно-восстановительных реакций аналитов с участием медиаторов электронного переноса, нековалентно включаемых в состав ассоциатов или ковалентно связанных на поверхности электрода. Будут апробированы выявленные закономерности получения и «настройки» полиэлектролитных комплексов ДНК-каликсарены при создании ДНК-сенсоров на основе нативной ДНК и ДНК-аптамеров для регистрации в зависимости от природы аналита, особенностей механизма их связывания с ДНК или накопления в слое супрамолекулярного ассоциата. Ожидается, что контроль эффективности молекулярного распознавания, направленное воздействие на стадии массопереноса аналита в слое супрамолекулярных ассоциатов на поверхности сенсора и биосенсора, а также многообразие возможностей включения медиаторов электронного переноса методами физической адсорбции в слое или ковалентной модификации циклофанов позволят добиться высокочувствительного и селективного определения вышеперечисленных аналитов с вольтамперометрической и импедиметрической регистрацией сигнала. Помимо задач повышения чувствительности определения аналитов биомедицинского назначения, будут рассмотрены факторы влияния на отклик матрицы потенциальных объектов анализа (биологические жидкости, лекарственные формы) и определены условия, позволяющие упростить или исключить пробоподготовку без потерь селективности анализа. Актуальность Проекта обусловлена большими возможностями функциональных бионаноматериалов на основе систем ДНК-каликсарены в медицине и фармацевтике, необходимостью существенного улучшения характеристик существующих биомедицинских сенсоров и созданием новых в интересах диагностики широкого круга заболеваний, а также потребностью в универсальных решениях в части конструирования электрохимических ДНК-сенсоров для определения низкомолекулярных соединений, оптимизации их конструкции и масштабирования производства. Предложенный подход к применению циклофанов для конструирования полиэлектролитных комплексов ДНК-каликсарены обеспечивает гибкую настройку пространственного строения ассоциатов и раскрывает широкие возможности для направленного изменения массопереноса аналитов в поверхностном слое биосенсора, включая обеспечение цепи переноса электрона и наилучшие условия измерения сигнала по сравнению с альтернативными решениями, основанными на ковалентной сшивке белков и ДНК и их включении в полислойные структуры с участием ПАВ и полиэлектролитов. Принципиальная достижимость поставленных целей следует из анализа современных научных публикаций, посвященных самосборке нуклеиновых кислот с циклофанами, компактизации ДНК под действием катионных производных циклофанов. Также описаны отдельные примеры использования циклофанов для кристаллизации белков и нековалентной иммобилизации ферментов на поверхности биосенсора. Заявителями разработаны подходы к исследованию условий самосборки супрамолекулярных ассоциатов на поверхности электродов и контроля процессов самоассоциации электрохимическими методами. Новизна проекта связана с тем, что в нем впервые будет осуществлен целенаправленный процесс сопряженной ассоциации и последовательной наносборки полиэлектролитных комплексов ДНК-каликсарены, обеспечивающий их согласованное взаимодействие при превращении низкомолекулярных аналитов, способных к взаимодействиям с ДНК и отличающихся электрохимической активностью. Синтез циклофанов с различными функциональными группами, числом заместителей, заданной геометрией макроциклического обода и расположением функциональных групп позволит в широких пределах варьировать условия их взаимодействия с биополимерами, установить закономерности ассоциации и в результате обеспечить высокую чувствительность и избирательность электрохимических биосенсоров. Все процессы ассоциации и самосборки будут контролироваться исключительно нековалентными многоточечными взаимодействиями с участием аммониевых групп для реализации последующих этапов самосборки и тонкой настройки ассоциатов в зависимости от конкретных аналитических задач.

Ожидаемые результаты
Выполнение Проекта позволит создать новый, не имеющий на сегодняшний день аналогов, класс биоматериалов – гибридных супрамолекулярных рецепторов. В таких гибридных материалах эффективность связывания целевых аналитов будет определяться структурой полинуклеотида, а селективность - нековалентно связанными дендримероподобными полифункционализированными тиакаликс[4]аренами. Научная значимость Проекта заключается в создании задела для формирования нового направления супрамолекулярной химии – применения биомиметического подхода для создания гибридных супрамолекулярных рецепторов. В настоящее время полиэлектролитные комплексы циклофанов с ДНК применяют для компактизации биополимера. Нами впервые предложено применить циклофаны для создания новых гибридных структур - супрамолекулярных рецепторов ДНК-тиакаликсарены. Запланированные результаты соответствуют уровню передовых исследований в области бионаноматериалов, супрамолекулярной химии полинуклеотидов и циклофанов. Среди основных трендов развития супрамолекулярной химии ДНК (ДНК-оригами, ДНК как темплат для наноматериалов, ДНК-химеры) представленный Проект является наиболее перспективным для внедрения разработок в экономике и социальной сфере в силу доступности ДНК и реагентов для синтеза циклофанов, применяемых в Проекте. Запланированные результаты являются научно и социально значимыми. С позиции фундаментальной науки будет сделан принципиально важный шаг в супрамолекулярной химии, электроаналитической химии и химии биополимеров. Будут разработаны новые методы синтеза дендримероподобных полифункциональных производных циклофанов - тиакаликс[4]аренов, замещённых аммониевыми фрагментами и аминогруппами. Полученные дендримероподобные полифункциональные и полидентатные производные циклофанов будут далее использованы для сборки бионаноматериалов из полиэлектролитных комплексов ДНК-тиакаликсарены. Будут установлены фундаментальные закономерности «структура-свойство» самосборки дендримероподобных полифункциональных производных тиакаликсарена с ДНК. Будет выявлено влияние циклофанов на размеры, морфологию полиэлектролитных комплексов ДНК-тиакаликсарены, возможность их включения в цепь переноса электрона для формирования сигнала биосенсора, а также на аналитические характеристики биосенсоров в отношении субстратов, значимых для медицинской диагностики. Будет разработан концептуально новый подход – применение циклофанов для сборки бионаноматериалов для биосенсоров из комплементарных с точки зрения супрамолекулярной химии ассоциатов биополимер-циклофан (в зависимости от природы функциональных групп, геометрии их пространственного расположения, количества, структуры линкеров циклофана). Будет установлено влияние полиэлектролитных комплексов ДНК-тиакаликсарены (структуры и функционального состава циклофанов, используемых при создании ассоциатов циклофан-биополимер) на размеры, морфологию получаемых супрамолекулярных систем, а также на свойства биосенсоров на их основе. Выявленные закономерности будут использованы при конструировании гибридных супрамолекулярных рецепторов. Планируется оптимизация их состава и способа получения для улучшения аналитических характеристик биосенсоров на их основе. Будут разработаны новые способы высокочувствительного определения лекарственных препаратов-цитостатиков антрациклинового и фенотиазинового рядов, а также некоторых метаболитов – мочевой кислоты, аскорбиновой кислоты, дофамина и его структурных аналогов. Будут изучены возможности реализации самосборки полиэлектролитных комплексов ДНК-тиакаликсарены с участием аптамеров на лекарственные препараты и микотоксины. Будут установлены закономерности, связывающие особенности структуры продукта самосборки ДНК с циклофанами, и эффективность электронного обмена на поверхности электрода, а также условия достижения высокой селективности сигнала, в том числе, при анализе реальных объектов, потенциально содержащих мешающие компоненты матрицы – биологические жидкости и продукты питания. Полученные результаты откроют новые возможности для конструирования бионаноматериалов и электрохимических биосенсоров, включая реализацию задач обеспечения внелабораторного мониторинга здоровья населения. Поставленная цель, а именно разработка универсального подхода к конструированию биоматериалов для электрохимических биосенсоров путем получения гибридных супрамолекулярных рецепторов, является принципиально новой, не представленной ранее в литературе. Значимость исследований данной проблемы объясняется развитием новых, не имеющих аналогов возможностей конструирования мультикомпонентных материалов в интересах биоспецифического распознавания и создания соответствующих биосенсоров с улучшенными аналитическими и операционными характеристиками. Таким образом, предложенное фундаментальное исследование обладает прикладной значимостью. Установленные закономерности позволят разработать конкурентоспособные биосенсоры медицинского назначения, превосходящие по возможностям имеющиеся на сегодняшний день аналоги. Запланированные результаты соответствуют мировому уровню развития химии циклофанов, супрамолекулярной химии, материаловедения и аналитической химии. По завершении Проекта будут установлены фундаментальные закономерности самосборки полиэлектролитных комплексов ДНК-тиакаликсарены, будут выявлены структурные факторы, определяющие морфологию и структуру продуктов их самосборки, будет определено их влияние на аналитические характеристики биосенсоров на их основе. Полученные результаты и установленные фундаментальные закономерности заложат основу для создания супрамолекулярных систем для высокоселективных биосенсоров и самосборки бионаноматериалов. Социальная значимость Проекта заключается в создании доступных ДНК-сенсоров с улучшенными характеристиками чувствительности для решения задач молекулярной диагностики здоровья и контроля качества среды обитания человека. Научная значимость заключается в совершенствовании представлений о свойствах бионаноматериалов и формировании новых подходов на стыке супрамолекулярной химии, молекулярной биологии, аналитической химии и материаловедения для решения одной из ключевых задач современной медицины - создания средств мониторинга здоровья населения.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2021 году
Поставленные в Проекте цели на 2021 год полностью достигнуты. В ходе выполнения проекта получены результаты по всем основным его направлениям. Впервые разработаны и реализованы эффективные методики синтеза полугенераций дендримеров и дендримеров первой генерации на основе тиакаликсарена для трёх его конфигураций (конус, частичный конус и 1,3-альтернат). Разработанная методика позволяет получать дендримеры первой генерации на основе тиакаликсарена с высокими выходами (96-99%). Использование различных конфигураций макроцикла обеспечивает возможность синтеза дендримеров как классической симметричной, так и асимметричной структуры. Структура всех полученных соединений надёжно подтверждена комплексом физических методов (ЯМР, ИК спектроскопия, масс-спектрометрия). Среди дендримеров асимметричной структуры обнаружено амфифильное соединение, что не характерно для классических дендримеров. Показано, что с целью придания амфифильности целесообразно использовать тиакаликсареновый макроцикл в конфигурации конус. Установлено, что синтезированные дендримеры с макроциклическим ядром образуют самоассоциаты нанометрового размера в метаноле только при высоких концентрациях (1 мМ). Показано, что полидисперсность систем снижена для соединений с ядром, находящимся в конфигурации 1,3-альтернат, причём наиболее монодисперсные системы образуются для дендримеров с терминальными третичными аминогруппами. В водной среде стабильных самоассоциатов не образуется, что подтверждается данными электронной микроскопии. Показано, что на изображениях ПЭМ аммонийных производных присутствуют аморфные частицы с высокой полидисперсностью. Впервые установлена способность к связыванию ДНК из молок лосося полиамидоаммонийными дендримерами с ядром на основе тиакаликс[4]арена. Показано, что на способность к связыванию не влияет конфигурация макроцикла, однако пространственная структура ядра важна для стабилизации биополимера в растворе. Впервые установлено, что асимметричный амфифильный дендример (ядро в конфигурации конус) способен предохранять ДНК от разрушения в водном растворе даже при комнатной температуре. Высказано предположение, что это обусловлено изоляцией ДНК от водной среды благодаря наличию в дендримере гидрофобной макроциклической платформы. Также показано, что синтезированные ПАМАМ дендримеры на основе тиакаликсарена (с терминальными первичными аминогруппами) способны связывать ряд белков (лизоцим, бычий сывороточный альбумин и гемоглобин). Проведено сравнительное исследование характеристик электронного переноса с использованием электродов, модифицированных углеродными наноматериалами и агрегатами ДНК и октааминированных тиакаликсаренов. Перенос агрегатов из раствора на поверхность меняет условия электронного переноса в зависимости от природы углеродных наноматериалов, соотношения и абсолютных концентраций компонентов покрытия и редокс-активного зонда. В случае феррицианид-ионов изменение сигналов связано с изменением площади доступной поверхности электрода. Парадоксально введение отрицательно заряженных компонентов слоя улучшает условия массопереноса, а увеличение концентрации катионного компонента – его уменьшает. Полученные закономерности обусловлены влиянием стехиометрии взаимодействия макроцикл – ДНК на разделение заряда в слое и эффективность электронного переноса. В случае применения углеродных нанотрубок концентрационные зависимости токов пика от концентрации тиакаликсарена и ДНК отражают стехиометрию их связывания в устойчивый агрегат на поверхности электрода. Рассчитаны параметры электронного переноса, подтвердившие обратимый характер процесса и отсутствие влияние агрегатов ДНК - макроцикл на эффективность переноса электрона. Метиленовый зеленый показывает отклик на модифицированных электродах, определяющийся преимущественно электростатическими взаимодействиями в слое. Конкурентное связывание с ДНК и вытеснение красителя молекулами октааминированного тиакаликсарена приводят к снижению сигнала, нейтрализация положительного заряда хитозана в слое – к его увеличению. Не обнаружено аккумуляции метиленового зеленого в слое или адсорбционного характера его пиков на вольтамперограммах. Гидрохинон как нейтральный редокс-зонд меняет свои пики окисления-восстановления вне зависимости от заряда агрегата и его распределения в слое. ДНК в составе комплекса сохраняет доступность для небольших молекул и вступает в реакцию интеркалирования с модельным антрациклиновым препаратом (доксорубицин). Чувствительность его определения позволяет в перспективе использовать биосенсор для оценки фармакокинетики препарата и назначении индивидуальной дозы больному. Также установлена возможность диагностики повреждения ДНК при ее термической обработке по токам пика метиленового зеленого и гидрохинона. Нарушение структуры нативной ДНК при ее термической обработке подтверждено снижением чувствительности сигналов к доксорубицину по сравнению с аналогичными экспериментами с нативной ДНК. Разработанные подходы могут найти применение в совершенствовании методик определения противораковых препаратов – интеркаляторов ДНК.

 

Публикации

1. - Улучшенный древовидный полимер поможет в создании новых ДНК-вакцин, лекарств и сенсоров Мультимедийный портал ПОИСК, 16.11.2021 (год публикации - ).

2. - Химики нашли способ стабилизировать ДНК для создания вакцин и лекарств ГАЗЕТА.RU, 17.11.2021 (год публикации - ).

3. - Древовидный полимер модифицировали для создания новых ДНК-вакцин ТАСС, 16.11.2021 (год публикации - ).

4. - УЛУЧШЕННЫЙ ДРЕВОВИДНЫЙ ПОЛИМЕР ПОМОЖЕТ В СОЗДАНИИ НОВЫХ ДНК-ВАКЦИН, ЛЕКАРСТВ И СЕНСОРОВ «НАУЧНАЯ РОССИЯ», 21.11.2021 (год публикации - ).

5. Куликова Т.Н., Падня П.Л., Шиабиев И.Э., Рогов А.М., Стойков И.И., Евтюгин Г.А. Electrochemical Sensing of Interactions between DNA and Charged Macrocycles Chemosensors, номер 347, том 9, выпуск 12 (год публикации - 2021).

6. Мостовая О.А., Падня П.Л., Шиабиев И.Э., Мухаметзянов Т.А., Стойков И.И. PAMAM-calix-dendrimers: Synthesis and Thiacalixarene Conformation Effect on DNA Binding International Journal of Molecular Sciences, номер 11901, том 22, выпуск 21 (год публикации - 2021).