Ученые выяснили свойства пептидных нанотрубок для адресной доставки лекарств
Ученые подведомственного Минобрнауки России Института математических проблем биологии (ИМПБ) РАН провели компьютерное исследование структурных и физических свойств самоорганизующихся пептидных нанотрубок на основе дипептида дифениланина. Полученные данные будут полезны для создания на основе пептидных нанотрубок капсул адресной доставки фармацевтических препаратов и лекарств.
Пептиды — это биологические макромолекулы, состоящие из аминокислот. Пептидные нанотрубки из аминокислоты дифенилаланин стали своеобразным аналогом углеродных нанотрубок. Последнее время они в центре внимания многих исследователей из-за выдающихся механических, оптических и электрических свойств, перспективных для различных приложений в микроэлектронике и медицине.
Аминокислоты и короткие пептиды могут самостоятельно организовываться в разнообразные сложные биомолекулярные наноструктуры. Во время самосборки молекулы закручиваются в правую или левую сторону, в зависимости от исходных блоков аминокислот. Это их свойство — хиральность (отсутствие симметричности) — очень важная характеристика.
Самособранные пептидные дифенилаланиновые нанотрубки могут применяться при адресной доставке лекарств. При этом их биологическая активность может быть совершенно различной, поскольку «правые» и «левые» лекарства, взаимодействуя с соответствующими молекулами в организме, например с ферментами, могут действовать по-разному. В результате несоответствия хиральности терапевтическое действие может в лучшем случае отсутствовать, а в худшем — дать нежелательные побочные эффекты. Поэтому контроль хиральности тут становится существенным фактором. Кроме экспериментальных методов, для правильного контроля самосборки молекулярных структур необходимым и важным стало также и компьютерное моделирование процессов.
Для анализа структурных особенностей ученые ИМПБ использовали разработанный ими уникальный метод визуально-дифференциального анализа (ВДА). Этот метод компьютерного моделирования и исследования основан на построении проекций поверхностей макромолекулярных структур.
«Метод визуально-дифференциального анализа позволяет рассмотреть процесс изнутри структуры. Наблюдатель как будто находится в центре нанотрубки и видит, как атомы перемещаются относительно центральной оси сложной молекулы. Но самым интересным в нашем методе, пожалуй, является трансформация сложной структурной информации — ключевой в функционировании биомакромолекул — в наглядную карту, где все видно как на ладони. Мы с помощью нашего метода исследовали поведение и взаимодействие разных биологических молекул. В данном случае это были дифенилаланиновые нанотрубки с водой», — рассказал научный сотрудник отдела перспективных информационных технологий ИМПБ РАН, автор метода Сергей Филиппов.
В своем исследовании ученые сначала рассмотрели право- и левоспиральные нанотрубки с пустой внутренней полостью, их самоорганизацию и свойства. Но, поскольку пептидные нанотрубки выращивают в воде, вторым этапом было моделирование взаимодействия структур с водой. Впервые было рассчитано оптимальное количество молекул воды внутри полости трубки. Оказалось, что спиральная нанотрубка выстраивает внутри себя молекулы воды также в определенные спиральные структуры. Этот процесс индуцируется внутри нанотрубок значительным электрическим полем, создаваемым сильно ориентированными дипольными моментами дипептидов. Находящиеся внутри кластеры воды тоже поляризуются и приобретают высокий дипольный момент. То есть нанотрубка действует как оператор (модулятор) на воду, создавая упорядоченную структуру. Это происходит как в право-, так и в левоспиральных нанотрубках, но разными способами, в соответствии с их различной внутренней структурой и хиральностью. В результате кластеры воды закручиваются тоже либо в правую, либо в левую сторону.
Как отметил заведующий группой компьютерного моделирования наноструктур и биосистем ИМПБ РАН Владимир Быстров, в перспективе можно внутрь вместо воды поместить лекарство против рака доксорубицин. По сосудам оно может быть доставлено в нужное место в нужном объеме.
Работа опубликована в Journal of Molecular Modeling.
Рисунок. Наложение трех гипсометрических карт: внутренней поверхности канала нанотрубки (бирюзовой), внешней поверхности молекул воды в исходном состоянии (до оптимизации / пурпурной) и, наконец, желтым цветом показан рельеф внешней поверхности оптимизированной воды. © Сергей Филиппов