|
ИСТИНА |
Войти в систему Регистрация |
ИПМех РАН |
||
Разработка эффективных подходов к направленному извлечению компонентов с заданной биологической активностью из природных гуминовых системНИР
Development of efficient approaches to the directed isolation of the components of the given biological activities from natural humic systems
- Руководитель НИР: Волков Д.С.
- Ответственный исполнитель: Перминова И.В.
- Участники НИР: Harir M., Владимиров С.А., Воликов А.Б., Григоренко В.Г., Жернов Ю.В., Жиркова А.М., Ларионов К.С., Михневич Т.А., Рухович Г.Д.
- Подразделение: НИЛ спектроскопических методов анализа
- Срок исполнения: 1 марта 2021 г. - 31 декабря 2024 г.
- Номер договора (контракта, соглашения): 21-73-20202
- Номер ЦИТИС: 121040200078-3
- Тип: Фундаментальная
- Приоритетное направление научных исследований: Живые системы, медицинские технологии, медицинская химия и новые лекарственные средства
- Приоритеты и перспективы НТР Российской Федерации согласно Стратегии НТР РФ: возможность эффективного ответа российского общества на большие вызовы
- ПН России: Науки о жизни
- Направление технологического прорыва России: Медицинские технологии и лекарственные средства
- Критическая технология России: Биомедицинские и ветеринарные технологии
-
Рубрики ГРНТИ:
- 28.23.25 Модели и системы обучения
- 28.23.37 Нейронные сети
- 31.19.29 Анализ органических веществ
- 31.23.25 Антибиотики
- 31.23.99 Прочие природные соединения
- Классификатор OECD: Аналитическая химия
-
Ключевые слова:
химическое разнообразие, масс-спектрометрия ионно-циклотронного резонанса с преобразованием фурье, машинное обучение, свертка информации, ингибиторы бета-лактамаз, анти-вич активность, многомерная хроматография, направленное фракционирование, биологическая активность, гуминовые вещества
chemical diversity, beta-lactamase inhibitors, directed fractionation, humic substances, multivariate chromatography, biological activity, fourier transform ion cyclotron resonance mass spectrometry, machine learning, anti-hiv activity, convolution of information -
Описание:
Проект посвящен поиску новых источников и типов биологически активных природных соединений, обладающих антиоксидантной, антивирусной, антибактериальной активностью, которые могут быть использованы при разработке новых технологий здоровьесбережения, в том числе, для улучшения действенности антибактериальных и антивирусных препаратов. Конкретными задачами проекта является разработка эффективных способов направленного извлечения компонентов с заданной биологической активностью из природных гуминовых систем.
-
Abstract:
The problem of searching for new sources and types of biologically active natural compounds is the most important task of modern chemistry, since both the emergence of new health-preserving technologies and the improvement of the effectiveness of antibacterial and antiviral drugs depend on the availability and effectiveness of such compounds. One of the most interesting and little-studied classes of biologically active natural compounds are humic substances. They are formed as a result of the oxidative degradation of biomacromolecular precursors - lignins, tannins, polysaccharides, proteins and lipids. As a consequence, their structure is characterized by extreme heterogeneity. Humic substances have a wide range of biological activities, including antioxidant and antiviral properties, the ability to bind to proteins, etc. At the same time, they are characterized by very low toxicity (they are non-toxic in the entire range of natural concentrations) and good solubility in water. This makes it possible to consider HS components as ideal candidates for both basic and adjuvant therapy. At the same time, their widespread use is hindered by the extreme heterogeneity and high level of isomeric complexity of their molecular composition. In this regard, the specific task of the project is to develop effective approaches to the targeted extraction of components with a given activity from natural humic substances. To solve this problem, it is planned to significantly increase the separation ability of multidimensional chromatography due to the pre-fractionation of HS on cartridges for solid-phase extraction (SPE) according to the acidity (pKa) of the components, or polarity, with subsequent separation according to orthogonal coordinates: "molecular weight" (using gel chromatographic column) and "polarity" (using a reversed phase column). For the first time, an in-depth study of the chemical diversity of the fine HM fractions obtained by different schemes will be carried out using ion cyclotron resonance mass spectrometry (FT ICR MS). The convolution of the obtained information on the types of relationship between the molecular composition, biological activity, and the HS fractionation scheme will be carried out by machine learning methods in the form of a predictive model that can predict the fractionation scheme for isolating the HS fraction with a given biological activity based on the data on the molecular composition of the initial HS sample. Thus, for the first time, the possibility of the directed selection of the “pixel” of the molecular space of the HS, or rather, its projection onto the Van Krevelen diagram, will be realized. The scale of the problem to be solved is determined by the fact that the developed algorithm will be sufficiently unified and applicable for various types of humic systems, the resources of which are huge reserves of fossil organogenic raw materials (oxidized coal, peat, sapropel), products of processing plant and protein raw materials, mummy, and other oxygenated systems that cannot be separated by rectification. In fact, within the framework of this project, the problem of finding analogues for a rectification column for obtaining fine molecular fractions of oxygen-containing precursors from natural multicomponent systems will be solved.
-
Планируемые 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.
-
Научный задел:
Коллектив авторов имеет большой опыт совместной работы и научный задел в области исследования гуминовых веществ. В частности, Волков Д.С. являлся исполнителем по проекту РНФ 16-14-00167 (руковдитель - Перминова И.В.) "Высокоэффективные "зеленые" агрохимикаты на основе гуминового сырья" в 2016-2018 гг. В ходе совместных работ Волкова Д.С. и группы Перминовой И.В. получены следующие результаты. Реализован способ последовательной твердофазной экстракции иолекулярных компонентов гиматомелановых кислот (ГГМ) при градиентном понижении pH: 7, 5, 3 и 2, что позволило получить фракции гуминовых веществ с различными кислотными свойствами. С помощью ЯМР-спектроскопии и масс-спектрометрии сверхвысокого разрешения был установлен постепенный сдвиг доминирующих каркасов во фракциях ГГМ от восстановленных насыщенных к окисленным ароматическим соединениям. Увеличение средней ароматичности фракции ГГМ сопровождалось красным сдвигом спектров флуоресценции. Эти результаты были подтверждены экспериментами двумерного ЯМР (HSQC и HMBC). Так же следует отметить долговременный опыт научного сотрудничества Dr. Mourad Harir c проф. Перминовой И.В. и д.м.н. Жерновым Ю.В. Результатом данного сотрудничества стали совместные наработки по тонкому фракционированию гуминовых веществ, по молекулярному составу узких фракций гуминовых веществ и взаимосвязи молекулярного состава и биологической активности гуминовых веществ. В целом, коллектив имеет многолетний опыт анализа гуминовых веществ с помощью метода масс-спектометрии сверхвысокого разрешения, методов молекулярной спектроскопии (ИК, УФ, флуоресцентной), методов атомной спектрометрии(ИСП-АЭС, ИСП-МС, ААС, РФА).
- Добавил в систему: Волков Дмитрий Сергеевич
Источник финансирования НИР
| грант РНФ |
Этапы НИР
| # | Сроки | Название |
| 1 | 1 марта 2021 г.-31 декабря 2021 г. | Разработка эффективных подходов к направленному извлечению компонентов с заданной биологической активностью из природных гуминовых систем |
| Результаты этапа: 1. Сформирована и охарактеризована представительная выборка образцов ГВ различного происхождения (не менее 10 образцов). Сформирован блок МСИЦР ПФ ЭР данных по молекулярному составу данной выборки с использованием объекта инфраструктуры – масс спектрометра solariX 15T. 2. Выполнено препаративное фракционирование исходной выборки ГВ по признаку «полярность» на узкие фракции методом твердофазной экстракции (ТФЭ) и градиентного элюирования вода:метанол. Получено 8-10 фракций для каждого исходного образца (всего – 90 фракций). На основании анализа с использованием ОИ – МСИЦР ПФ спектрометра solariX 15T в режиме ионизации ионов ЭР - сформирован блок данных по молекулярному составу узких фракций, полученный с использованием ОИ. В качестве дескрипторов молекулярного состава ГВ использованы 20-тимерные векторы заселенности диаграммы Ван Кревелена, а также другие метрики химического разнообразия молекулярного пространства ГВ 3. Выполнено препаративное фракционирование исходной выборки ГВ по признаку «константа диссоциации» на узкие фракции методом ТФЭ путем градиентного понижения рН. Получено по 7-8 узких фракций для каждого образца. На основании анализа с использованием ОИ – МСИЦР ПФ спектрометра solariX 15T в режиме ионизации ионов ЭР получен блок данных по молекулярному составу (плотности заселенности диаграмм Ван Кревелена) для выделенных узких фракций с использованием объекта ОИ. В качестве дескрипторов молекулярного состава ГВ использованы 20-тимерные векторы заселенности диаграммы Ван Кревелена, а также другие метрики химического разнообразия молекулярного пространства ГВ. 4. Опробованы различные условия двумерного хроматографического фракционирования ГВ с целью поиска режимов, обеспечивающих минимальную коррелированность молекулярного состава получаемых фракций. В частности, особое внимание уделено с использованию гель-хроматографической и обращенно-фазовой колонок для разделения. На основе анализа химического разнообразия выделяемых композиций ГВ выработаны рекомендации по оптимальному количеству фракций. Это позволит снизить трудоемкость экспериментов по фракционированию. 5. Сформирован блок данных по структурным и оптическим свойствам исходных препаратов ГВ и их узких фракций, полученных методом ТФЭ. В качестве дескрипторов строения использованы данные о содержании элементов, функциональных групп и структурных фрагментов и их распределении между узкими фракциями различных образцов ГВ. Средние молекулярные массы и полидисперсность полученных фракций использованы для характеристики молекулярно-массового распределения исходных препаратов и их фракций, а показатели экстинкции и асимметрии флуоресценции - для характеристики оптических свойств ГВ. 6. Сформирован обширный блок данных по ингибирующей активности исходных ГВ и их узких фракций в отношении бета-лактамазы TEM1 и ее мутантов. Оценена синергетическая активность исходных препаратов и фракций ГВ в отношении сульбактама. На основании данных о молекулярном составе наиболее активных фракций высказано предположение о молекулярном механизме ингибирования бета-лактамаз узкими фракциями ГВ. 7. Разработано программное обеспечение (пайплайн) на языке программирования Python для автоматизации обработки спектров МСИЦР ПФ узких фракций ГВ и построения диаграмм Ван Кревелена. Для этой цели в качестве тренировочного сета использован полученный ранее блок данных МСИЦР ПФ участниками проекта - Ю.В. Жерновым и M. Harir - на SolariX 12 (Tesla Helmholtz Muenchen) для узких и тонких фракций ГВ пелоидов. Указанные фракции были получены методами ТФЭ и жидкостной хроматографии высокого разрешения, соответственно. | ||
| 2 | 1 января 2022 г.-31 декабря 2022 г. | Разработка эффективных подходов к направленному извлечению компонентов с заданной биологической активностью из природных гуминовых систем |
| Результаты этапа: 1. Предожены и разработаны условия двумерного фракционирования, обеспечивающие получение «тонких» фракций минимально скоррелированных по молекулярному составу и оптическим свойствам ГВ. Разработана схема выделения фракций, обогащенных конденсированными таннинами и лигноподобными компонентами, которые показали максимальную биологическую активность в отношении ингибирования бета-лактамаз и анти-ВИЧ активности. 2. Расширен пул данных по молекулярному составу узких фракций ГВ различного происхождения, полученных методом МС ИЦР ПФ, в том числе, с использованием альтернативного метода ионизации - фотоионизации атмосферного давления. В связи с этим важнейшим результатом второго года проекта стало расширение блока данных по молекулярному составу как узких, так и тонких фракций ГВ, включая данные МСИЦРПФ ФИАД. Сформированный блок данных проанализирован на наличие инвариантных и уникальных CHNO и CHNOS составов в отношении источника происхождения ГВ. 3. Расширен спектр исследуемых типов биологической активности узких фракций ГВ. В частности, определена антиоксидантная активность узких фракций ГВ по методу ORAC с использованием высокоскоростного ридера. Полученный блок данных расширен и за счет оценки электрохимических свойств – донорной и акцепторной емкости. Сформирован блок данных по антиоксидантной активности исходных и узких фракций ГВ. Получены новые данные о бета-лактамазной ингибирующей активности для расширенного набора из узких фракций ГВ. 4. Получена новая информация о зависимости химического разнообразия фракций ГВ от способа ионизации: ЭР и ФИАД. Результатом стала оценка робастности определения молекулярного состава ГВ, полученных с ионизацией по методу ЭР и ФИАД. Выполнена генерация обобщенного пула молекулярных формул ГВ узких фракций ГВ, найденных с помощью разных методов ионизации для одного и того же образца ГВ. 5. Получены результаты обработки блока данных для «узких» фракций, выделенных на картриджах, по молекулярному составу, «заселенности» квадратов на диаграмме ван Кревелена, свойствам и биологической активности методами многомерной статистики и машинного обучения. На основании результатов обработки построены корреляционные и регрессионные взаимосвязи между молекулярным составом ГВ и биологической активностью фракций. Предложены способы оптимизации схем фракционирования ГВ для направленного выделения биологически активных фракций. | ||
| 3 | 1 января 2023 г.-31 декабря 2023 г. | Разработка эффективных подходов к направленному извлечению компонентов с заданной биологической активностью из природных гуминовых систем |
| Результаты этапа: В результате проведенных исследований отработаны различные схемы разделения гуминовых веществ и получен пул тонких фракций ГВ с использованием различных подходов: на основе обращенно-фазовой вэсокоэффективной жидкостной графии (ОФ-ВЭЖХ), твердофазной экстракции (ТФЭ), и осаждения при различных рН. Каждый подход обладает своими преимуществами и ограничениями. Разработанная методика ОФ-ВЭЖХ позволяет препаративно разделять фульвокислоты и при этом использует изопропиловый спирт, гораздо менее токсичный органический растворитель, чем метанол и ацетонитрил. Проведено дальнейшее совершенствование алгоритмов обработки масс-спектров высокого разрешения для гуминовых веществ. В частности, разработан фильтр шума спектров МСВР на основе алгоритма машинного обучения Gaussian Mixture Models. Он преодолевает недостатки ранее опубликованных алгоритмов, использующих гистограмму интенсивностей для оценки уровня шума. Предложенный алгоритм работает непосредственно с данными и исключает работу с гистограммами. На основании измерения суммарной антиоксидантной емкости показано планомерное увеличение значений суммарной активности антиоксидантных центров для ВЭЖХ фракций ФК. Для фракций, выделенных с помощью ТФЭ показан существенный эффект ингибирования беталактамазы. Проведено исследование противомеланомной активности препаратов ГВ по средствам механизма ингибирования микроРНК опухоли. Установлено, что фракция гиматомелановых кислот статистически значимо снижает экспрессию микроРНК miR-150-5p и miR-155-5p в клеточной культуре человеческой меланомы MelCher. Для фракции ГК такая активность определена только для снижения miR-155-5p по сравнению с контролем. Таким образом, нами впервые оценена эффективность применения гуминовых веществ пелоидов по механизму ингибирования микроРНК клеток меланомы В ходе проведения дерепликации молекулярного состава наиболее активной фракции CHI-рH8 и восстановления их 2D-структур по SMILES получили 41 структуру, данные об ингибирующей активности β-лактамазы TEM-1 которых присутствовали в базе данных ChEMBL, и получены лиганды гуминоподобных веществ. Проведен молекулярный докинга ряда молекул, обнаруженных во фракциях ГВ и β-лактамаз ТЕМ-1 и ТЕМ-18. | ||
| 4 | 1 января 2024 г.-31 декабря 2024 г. | Разработка эффективных подходов к направленному извлечению компонентов с заданной биологической активностью из природных гуминовых систем |
| Результаты этапа: | ||
Прикрепленные к НИР результаты
Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".