«Отпечатки пальцев» на белке помогли уловить опасный грибной токсин

Ученые разработали простой и доступный рецептор для связывания опасного токсина из плесневых грибов, поражающих зерно. Для этого авторы искусственно создали в структуре белка бычьего альбумина молекулярные «отпечатки пальцев» от вещества-аналога токсина. В результате белок смог распознать и связать природное соединение. Предложенный подход снизит стоимость и упростит создание тест-систем для выявления токсинов в зерне. Также он позволит разработать сорбенты для уменьшения вредного воздействия этого вещества на организм сельскохозяйственных животных и птиц. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Microchimica Acta.

Микроскопические грибы, поражающие зерновые культуры — например пшеницу, — не только снижают количество урожая, но и делают зерна непригодными для пищи. Так, плесневые грибы из родов Fusarium и Gibberella вырабатывают микотоксин зеараленон, который при попадании в организм сельскохозяйственных животных оказывает токсическое влияние на их репродуктивную систему. Поэтому необходимо контролировать содержание этого вещества в зерне, которое используют на корм домашней птице и животных, а также в продуктах питания.

Для связывания и выявления микотоксинов можно использовать импринтированные белки — молекулы, несущие своего рода молекулярные «отпечатки пальцев» токсина. Чтобы их получить, микотоксин в пробирке временно связывают с определенным белком. Именно в ходе этого взаимодействия микотоксин оставляет на белке молекулярные «отпечатки пальцев». Благодаря им после отсоединения микотоксина белок может вновь его узнавать и связывать. Это значит, что такой белок можно использовать при оценке безопасности зерна.

Однако использовать природный микотоксин для «обучения» белков дорого и потенциально небезопасно для исследователей, работающих с ним. Поэтому ученые из Саратовского государственного университета имени Н.Г. Чернышевского (Саратов) предложили заменить его на безопасный и коммерчески доступный структурный аналог.

Авторы подобрали подходящую молекулу-аналог с помощью методов компьютерной химии. Для этого ученые смоделировали поведение белковой структуры в процессе импринтинга и проанализировали его связывание с различными веществами, похожими на зеараленон. Соединение, которое показало лучшее связывание, использовали для получения белка с молекулярными «отпечатками пальцев», аналогичными микотоксину. В качестве белка ученые взяли бычий сывороточный альбумин, поскольку именно он, согласно более ранним экспериментам, служит оптимальной матрицей для получения импринтированных белков, которые избирательно связываются с микотоксином зеараленоном.

В результате химики получили бычий сывороточный альбумин, «обученный» связывать молекулу-аналог зеараленона. Его нанесли на поверхность наночастиц оксида кремния (молекулы, из которой состоит обычный песок). Такой носитель имеет пористую поверхность, благодаря чему на него крепится большое количество молекул белка, способных связывать токсин.

Чтобы подтвердить, что наночастицы с бычьим сывороточным альбумином действительно связывают природный микотоксин, их поместили в искусственно зараженный зеараленоном экстракт из зерен пшеницы. Для сравнения эксперимент повторили с белком, «обученным» на природном микотоксине. Связывание авторы проверили с помощью хроматографии — метода, который позволил оценить, насколько изменилось количество свободного микотоксина в растворе. Оказалось, что использование аналога не снижает эффективность связывания зеараленона. Так, степень извлечения зеараленона из раствора составила 73% и 82% для белка, обученного в присутствии аналога и природного микотоксина соответственно.

Кроме того, авторы доказали, что полученный рецептор безопасен для живых клеток, поэтому потенциально материалы на его основе могут быть полезны для связывания и обезвреживания микотоксинов непосредственно в пищеварительном тракте сельскохозяйственных птиц и животных при добавлении сорбента (наночастиц-носителей) в воду для поения.

«Применение метода биоимпринтинга позволит снизить стоимость тест-систем для выявления микотоксинов и тем самым увеличить их доступность. Более того, эксперименты показывают, что до 70% наночастиц можно использовать повторно, что позволяет повысить коммерческую эффективность разработанного материала. В дальнейшем мы планируем модифицировать рецептором новые нано- и микрочастицы; создать препарат для обезвреживания микотоксинов, представляющий интерес для агропромышленного комплекса России; а также разработать тест-системы для определения зеараленона», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Наталия Бурмистрова, доктор химических наук, профессор кафедры общей и неорганической химии СГУ имени Н.Г. Чернышевского.