Молекулярно-динамические расчёты адсорбции и подвижности биомолекул на поверхности графеновых подложек

Цель. Выявить различия в динамике дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) и стабилизирующего её белка на поверхности графена, оксида графена и в растворе.

Процедура. Методом молекулярной динамики в полноатомном приближении проведены расчёты ДНК, связанной с ДНК-стабилизирующим белком DPS (DNA-binding protein from starved cells) на поверхности графена, оксида графена и в растворе. 

Результаты. На основе проведённых исследований показано, что графеновые подложки могут оказывать влияние на динамику белков и ДНК. В частности, могут ограничивать подвижность свободных областей белка, затрудняя их взаимодействие с другими молекулами, и адсорбировать молекулы ДНК, изменяя структуру комплексов DPS –  ДНК.

Теоретическая и/или практическая значимость. Полученные данные представляют практический интерес для исследователей структуры биологических молекул и их комплексов на поверхности графеновых подложек. Также данные могут быть использованы при создании основанных на биологических молекулах наноматериалов с заданными свойствами.

1. Lomonossoff G. P., Wege C. TMV Particles: The Journey From Fundamental Studies to Bionanotechnology Applications // Advances in Virus Research. 2018. Vol. 102. P. 149– 176. DOI: 10.1016/bs.aivir.2018.06.003.

2. Hierarchically structured bioinspired nanocomposites / Nepal D., Kang S., Adstedt K. M., Kanhaiya K., Bockstaller M.R., Brinson L. C., Buehler M. J., et al. // Nature Materials. 2023. Vol. 22. No. 1. P. 18–35. DOI: 10.1038/s41563-022-01384-1.

3. Recent advancement of bioinspired nanomaterials and their applications: A review / Wu G., Hui X., Hu L., Bai Y., Rahaman A., Yang X.–F., Chen C. // Frontiers in Bioengineering and Biotechnology. 2022. Vol. 10. P. 952523. DOI: 10.3389/fbioe.2022.952523.

4. Zhang D, Wang Y. Functional Protein-Based Bioinspired Nanomaterials: From Coupled Proteins, Synthetic Approaches, Nanostructures to Applications // International Journal of Molecular Sciences. 2019. Vol. 20. No. 12. P. 3054. DOI: 10.3390/ijms20123054.

5. Temperature-Dependent Coherent Tunneling across Graphene-Ferritin Biomolecular Junctions / Gupta N. K., Karuppannan S. K., Pasula R. R., Vilan A., Martin J., Xu W., May E. M., et al. // ACS Applied Materials & Interfaces. 2022. Vol. 14. No. 39. P. 44665– 44675. DOI: 10.1021/acsami.2c11263.

6. Biological Construction of Single-Walled Carbon Nanotube Electron Transfer Pathways in Dye-Sensitized Solar Cells / Inoue I., Watanabe K., Yamauchi H., Ishikawa Y., Yasueda H., Uraoka Y., Yamashita I. // ChemSusChem. 2014. Vol. 7. Iss. 10. P. 2805–2810. DOI: 10.1002/cssc.201402514.

7. The crystal structure of DPS, a ferritin homolog that binds and protects DNA / Grant R. A., Filman D. J., Finkel S. E., Kolter R., Hogle J. M. // Nature Structural & Molecular Biology. 1998. Vol. 5. No. 4. P. 294–303. DOI: 10.1038/nsb0498-294.

8. Floating gate memory with charge storage dots array formed by DPS protein modified with site–specific binding peptides / Kamitake H., Uenuma M., Okamoto N., Horita M., Ishikawa Y., Yamashita I., Uraoka Y. // Nanotechnology. 2015. Vol. 26. No. 19. P. 195201. DOI: 10.1088/0957-4484/26/19/195201.

9. Orban K., Finkel S. E. Dps is a Universally Conserved Dual-Action DNA-Binding and Ferritin Protein // Journal of Bacteriology. 2022. Vol. 204. No. 5. e0003622. DOI: 10.1128/jb.00036-22.

10. Possible Mechanisms of 4-Hexylresorcinol Influence on DNA and DNA-DPS Nanocrystals Affecting Stress Sustainability of Escherichia coli / Tereshkin E. V., Loiko N. G., Tereshkina K. B., Kovalenko V. V., Krupyanskii Y. F. // Russian Journal of Physical Chemistry B: Focus on Physics. 2022. Vol. 16. No. 4. P. 726–737. DOI: 10.1134/S1990793122040285.

11. Yamashita I. Biological path for functional nanostructure fabrication and nanodevices // Surface Innovations. 2016. Vol. 4. Iss. 3. P. 111–120. DOI: 10.1680/jsuin.16.00015.

12. Abbondanzieri E. A., Meyer A. S. More than just a phase: the search for membraneless organelles in the bacterial cytoplasm // Current Genetics. 2019. Vol. 65. P. 691–694. DOI: 10.1007/s00294-018-00927-x.

13. Calhoun L., Kwon Y. Structure, function and regulation of the DNA-binding protein DPS and its role in acid and oxidative stress resistance in Escherichia coli: a review // Journal of Applied Microbiology. 2011. Vol. 110. Iss. 2. P. 375–386. DOI: 10.1111/j.13652672.2010.04890.x.

14. Battesti A., Majdalani N., Gottesman S. The RpoS-mediated general stress response in Escherichia coli // Annual Review of Microbiology. 2011. Vol. 65. P. 189–213. DOI: 10.1146/annurev-micro-090110-102946.

15. Algu K., Choi V. S. C., Dhami R. S., Duncan D. A. K. DPS confers protection of DNA sequence integrity in UV-irradiated Escherichia coli // Journal of Experimental Microbiology and Immunology (JEMI). 2007. Vol. 11. P. 60–65.

16. Interaction of deoxyribonucleic acid with deoxyribonucleic acid-binding protein from starved cells: cluster formation and crystal growing as a model of initial stages of nucleoid biocrystallization / Tereshkin E., Tereshkina K., Loiko N., Chulichkov A., Kovalenko V., Krupyanskii Yu. // Journal of Biomolecular Structure and Dynamics. 2019. Vol. 37. Iss. 10. P. 2600–2607. DOI: 10.1080/07391102.2018.1492458.

17. Morphological peculiarities of the DNA-protein complexes in starved Escherichia coli cells / Loiko N., Danilova Y., Moiseenko A., Kovalenko V., Tereshkina K., Tutukina M., El-Registan G., Sokolova O., Krupyanskii Y. // PLoS One. 2020. Vol. 15(10): e0231562. DOI: 10.1371/journal.pone.0231562.

18. Multi-crystal data collection using synchrotron radiation as exemplified with lowsymmetry crystals of Dps / Kovalenko V., Popov A., Santoni G., Loiko N., Tereshkina K., Tereshkin E., Krupyanskii Y. // Acta Crystallographica Section F. Structural Biology Communications. 2020. Vol. 76. Iss. 11. P. 568–576. DOI: 10.1107/S2053230X20012571.

19. Projection structures reveal the position of the DNA within DNA-Dps Co-crystals / Moiseenko A., Loiko N., Tereshkina K., Danilova Y., Kovalenko V., Chertkov O., Feofanov A. V., Krupyanskii Y. F., Sokolova O. S. // Biochem Biochemical and Biophysical Research Communications. 2019. Vol. 517. Iss. 3. P. 463–469. DOI: 10.1016/j.bbrc.2019.07.103.

20. Tereshkin E. V., Tereshkina K. B., Krupyanskii Yu. F. Predicting Binding Free Energies for DPS Protein-DNA complexes and Crystals Using Molecular Dynamics // Supercomputing Frontiers and Innovations. 2022. Vol. 9. No. 2. Special Issue on Supercomputing in Computational Biology and Molecular Modeling of Living Systems. P. 33–45. DOI: 10.14529/jsfi220203.

21. Synthesis of Iron Oxide Nanoparticles in Listeria innocua Dps (DNA-binding Protein from Starved Cells): a study with the wild-type protein and a catalytic centre mutant / Ceci P., Chiancone E., Kasyutich O., Bellapadrona G., Castelli L., Fittipaldi M., Sangregorio C., Innocenti C., Gatteschi D. // Chemistry – A European Journal. 2010. Vol. 16. Iss. 2. P. 709–717. DOI: 10.1002/chem.200901138.

22. Bacterioferritin nanocage: Structure, biological function, catalytic mechanism, selfassembly and potential applications / Guo M., Gao M., Liu J., Xu N., Wang H. // Biotechnology Advances. 2022. Vol. 61. P. 108057. DOI: 10.1016/j.biotechadv.2022.108057.

23. NMR-based structural modeling of graphite oxide using multidimensional 13C solid-state NMR and ab initio chemical shift calculations / Casabianca L. B., Shaibat M. A., Cai W. W., Park S., Piner R., Ruoff R. S., Ishii Y. // Journal of the American Chemical Society. 2010. Vol. 132. No. 16. P. 5672–5676. DOI: 10.1021/ja9030243.

24. GROMACS: High performance molecular simulations through multi-level parallelism from laptops to supercomputers / Abraham M. J., Murtola T., Schulz R., Páll S., Smith J. C., Hess B., Lindahl E. // SoftwareX. 2015. Vol. 1–2. P. 19–25. DOI: 10.1016/j.softx.2015.06.001.