Влияние кавитированной воды на физико-химические свойства пероксидазы хрена, исследованное на уровне единичных молекул фермента. Временная зависимость кавитационного воздействия на свойства фермента

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Доступ платный или только для подписчиков

Аннотация

Методами атомно-силовой микроскопии (АСМ) и спектрофотометрии (СФ) исследован эффект воздействия воды, подвергнутой кавитации и выдержанной после кавитационного воздействия на нее в течение восьми месяцев, на фермент пероксидазы хрена (ПХ). В сравнении с контрольным образцом фермента, не обнаружено существенных изменений адсорбции ПХ на свежесколотой слюде. Напротив, ферментативная активность ПХ после инкубации в воде, подвергнутой кавитации восемь месяцев назад, снижалась в два раза после выдержки раствора фермента в воде, подвергнутой кавитации, по сравнению с контрольным образцом фермента. Обнаруженный эффект следует учитывать в разработке биотехнологических процессов, в которых предполагается использование кавитации жидких сред.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Ю. Д. Иванов

Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Научно-исследовательский институт биомедицинской химии имени В.Н.Ореховича" (ИБМХ);

Email: shum230988@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0001-5041-1914

д.б.н., проф., зав. лаб. 

Россия, Москва; Москва

И. Д. Шумов

Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Научно-исследовательский институт биомедицинской химии имени В.Н.Ореховича" (ИБМХ)

Автор, ответственный за переписку.
Email: shum230988@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-9795-7065

к.б.н., науч. сотр.

Россия, Москва

Е. Е. Важенкова

Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Научно-исследовательский институт биомедицинской химии имени В.Н.Ореховича" (ИБМХ)

Email: shum230988@yandex.ru
ORCID iD: 0009-0001-4224-8907

лаб.

Россия, Москва

А. Н. Аблеев

Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Научно-исследовательский институт биомедицинской химии имени В.Н.Ореховича" (ИБМХ)

Email: shum230988@yandex.ru
ORCID iD: 0009-0004-3096-107X

вед. инж.

Россия, Москва

А. Ф. Козлов

Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Научно-исследовательский институт биомедицинской химии имени В.Н.Ореховича" (ИБМХ)

Email: shum230988@yandex.ru

вед. инж.

Россия, Москва

А. В. Виноградова

Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Научно-исследовательский институт биомедицинской химии имени В.Н.Ореховича" (ИБМХ)

Email: shum230988@yandex.ru
ORCID iD: 0009-0001-6044-3490

мл. науч. сотр.

Россия, Москва

Е. Д. Неведрова

Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Научно-исследовательский институт биомедицинской химии имени В.Н.Ореховича" (ИБМХ)

Email: shum230988@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0003-2767-2299

мл. науч. сотр.

Россия, Москва

О. Н. Афонин

Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Научно-исследовательский институт биомедицинской химии имени В.Н.Ореховича" (ИБМХ)

Email: shum230988@yandex.ru
ORCID iD: 0009-0008-7947-3674

к.т.н., ст. науч. сотр.

Россия, Москва

В. Ю. Татур

Фонд перспективных технологий и новаций (ФПТН)

Email: shum230988@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-6415-5189

исп. дир.

Россия, Москва

А. А. Лукьяница

Фонд перспективных технологий и новаций (ФПТН); Московский государственный университет

Email: shum230988@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-0517-0602

д.т.н., вед. науч. сотр.

Россия, Москва; Москва

А. Л. Шишкин

ООО ВФ "АВК-БЕТА"

Email: shum230988@yandex.ru
ORCID iD: 0009-0008-2041-6368

дир.

Россия, Московская обл., Дубна

Н. Д. Иванова

Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии – МВА имени К.И.Скрябина

Email: shum230988@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0001-5942-8050

преп.

Россия, Москва

Д. В. Еникеев

Институт урологии и репродуктивного здоровья человека, ФГАОУ ВО Первый МГМУ имени И.М.Сеченова Минздрава России (Сеченовский Университет)

Email: shum230988@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0001-7169-2209

д.м.н., проф., хирург-уролог

Россия, Москва

Е. С. Юшков

Национальный исследовательский ядерный университет МИФИ (НИЯУ МИФИ)

Email: shum230988@yandex.ru
ORCID iD: 0009-0002-9161-0877

к.т.н., доц.

Россия, Москва

М. М. Кузнецов

Государственный университет просвещения

Email: shum230988@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0001-5625-1560

д.ф.-м.н., проф., доц.

Россия, Москва

А. Ю. Долгобородов

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Объединенный институт высоких температур Российской академии наук (ОИВТ РАН)

Email: shum230988@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0001-7054-7341

д.ф.-м.н., зав. лаб.

Россия, Москва

В. С. Зиборов

Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Научно-исследовательский институт биомедицинской химии имени В.Н.Ореховича" (ИБМХ); Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Объединенный институт высоких температур Российской академии наук (ОИВТ РАН)

Email: shum230988@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0001-7942-3337

к.ф.-м.н., ст. науч. сотр.

Россия, Москва; Москва

Список литературы

  1. Zheng H., Zheng Y., Zhu J. Recent Developments in Hydrodynamic Cavitation Reactors: Cavitation Mechanism, Reactor Design, and Applications. Engineering 2022. Vol. 19. PP. 180–198. https://doi.org/10.1016/j.eng.2022.04.027
  2. Sun X., Chen S., Liu J., Zhao S., Yoon J.Y. Hydrodynamic Cavitation: A Promising Technology for Industrial-Scale Synthesis of Nanomaterials. Front. Chem. 2020. Vol. 8. P. 259. https://doi.org/10.3389/fchem.2020.00259
  3. Petkovšek M., Mlakar M., Levstek M., Stražar M., Širok B., Dular M. A novel rotation generator of hydrodynamic cavitation for waste-activated sludge disintegration. Ultrasonics Sonochem. 2015. Vol. 26. PP. 408–414. http://dx.doi.org/10.1016/j.ultsonch.2015.01.006
  4. Комарова Е.В., Слабунова А.В., Харитонов С.Е. Применение эффекта кавитации при очистке сточных вод животноводства. Экология и водное хозяйство. 2021. № 3 (2). С. 61–74. https://doi.org/10.31774/2658-7890-2021-3-2-61-74
  5. Tao Y., Cai J., Huai X., Liu B., Guo Z. Application of hydrodynamic cavitation to wastewater treatment. Chem. Eng. Technol. 2016. Vol. 39 (8). PP. 1363–1376. https://doi.org/10.1002/ceat.201500362
  6. Науменко Н.В., Малинин А.В., Цатуров А.В. Поиск путей повышения сохраняемости хлебобулочных изделий. Вестник ЮУрГУ. Серия "Пищевые и биотехнологии". 2018. № 6 (2). С. 58–66. https://doi.org/10.14529/food180208
  7. Asaithambi N., Singha P., Dwivedi M., Singh S.K. Hydrodynamic cavitation and its application in food and beverage industry: a review. J. Food Process Eng. 2019. Vol. 42 (5). P. e13144. https://doi.org/10.1111/jfpe.13144
  8. Кулагин В.А., Сапожникова Е.С., Стебелева О.П., Кашкина Л.В., Чжэн Ч. Ин, Ли Ц., Ли Ф.Ч. Особенности влияния эффектов кавитации на физико-химические свойства воды и стоков. Журнал Сибирского Федерального Университета. Серия: Техника и технологии. 2014. № 7 (5). С. 605–614.
  9. Ivanov Y.D., Pleshakova T.O., Shumov I.D., Kozlov A.F., Romanova T.S.; Valueva A.A., Tatur V.Y., Stepanov I.N., Ziborov V.S. Investigation of the Influence of Liquid Motion in a Flow-based System on an Enzyme Aggregation State with an Atomic Force Microscopy Sensor: The Effect of Water Flow. Appl. Sci. 2020. Vol. 10 (13). P. 4560. https://doi.org/10.3390/app 10134560
  10. Ivanov Y.D., Pleshakova T.O., Shumov I.D., Kozlov A.F., Valueva A.A., Ivanova I.A., Ershova M.O., Larionov D.I., Repnikov V.V., Ivanova N.D., Tatur V.Yu., Stepanov I.N., Ziborov V.S. AFM and FTIR Investigation of the Effect of Water Flow on Horseradish Peroxidase. Molecules. 2021. Vol. 26(2). P. 306. https://doi.org/10.3390/molecules26020306
  11. Ziborov V.S., Pleshakova T.O., Shumov I.D., Kozlov A.F., Ivanova I.A., Valueva A.A., Tatur V.Y., Negodailov A.N., Lukyanitsa A.A., Ivanov Y.D. Investigation of the Influence of Liquid Motion in a Flow-Based System on an Enzyme Aggregation State with an Atomic Force Microscopy Sensor: The Effect of Glycerol Flow. Appl. Sci. 2020. Vol. 10 (14). P. 4825. https://doi.org/10.3390/app 10144825
  12. Ivanov Y.D., Pleshakova T.O., Shumov I.D., Kozlov A.F., Ivanova I.A., Ershova M.O., Tatur V.Yu., Ziborov V.S. AFM Study of the Influence of Glycerol Flow on Horseradish Peroxidase near the in/out Linear Sections of a Coil. Appl. Sci. 2021. Vol. 11(4). P. 1723. https://doi.org/10.3390/app 11041723
  13. Ivanov Y.D., Shumov I.D., Kozlov A.F., Ershova M.O., Valueva A.A., Ivanova I.A., Tatur V.Y., Lukyanitsa A.A., Ivanova N.D., Ziborov V.S. Glycerol Flow through a Shielded Coil Induces Aggregation and Activity Enhancement of Horseradish Peroxidase. Appl. Sci. 2023. Vol. 13. P. 7516. https://doi.org/10.3390/app 13137516
  14. Ivanov Y.D., Shumov I.D., Kozlov A.F., Ershova M.O., Valueva A.A., Ivanova I.A., Tatur V.Y., Lukyanitsa A.A., Ivanova N.D., Ziborov V.S. Stopped Flow of Glycerol Induces the Enhancement of Adsorption and Aggregation of HRP on Mica. Micromachines. 2023. Vol. 14. P. 1024. https://doi.org/10.3390/mi14051024
  15. Ivanov Y.D., Shumov I.D., Kozlov A.F., Valueva A.A., Ershova M.O., Ivanova I.A., Ableev A.N., Tatur V.Y., Lukyanitsa A.A., Ivanova N.D., Ziborov V.S. Atomic Force Microscopy Study of the Long-Term Effect of the Glycerol Flow, Stopped in a Coiled Heat Exchanger, on Horseradish Peroxidase. Micromachines 2024. Vol. 15 (4). P. 499. https://doi.org/10.3390/mi15040499
  16. Иванов Ю.Д., Шумов И.Д., Козлов А.Ф., Ершова М.О., Валуева А.А., Иванова И.А., Татур В.Ю., Лукьяница А.А., Иванова Н.Д., Неведрова Е.Д., Зиборов В.С. АСМ-исследование пост-эффекта движения глицерина в выходной части проточной системы на адсорбционные свойства белка. Наноиндустрия 2023. № 16 (2). С. 106–113. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2023.16.2.106.113
  17. Ivanov Y.D., Shumov I.D., Tatur V.Y., Valueva A.A., Kozlov A.F., Ivanova I.A., Ershova M.O., Ivanova N.D., Stepanov I.N., Lukyanitsa A.A., Ziborov V.S. AFM Investigation of the Influence of Steam Flow through a Conical Coil Heat Exchanger on Enzyme Properties. Micromachines 2022. Vol. 13. P. 2041. https://doi.org/10.3390/mi13122041
  18. Тэнесеску Ф., Крамарюк Р. Электростатика в технике. М.: Энергия, 1980. 296 c.
  19. Yoo D., Jang S., Cho S., Choi D., Kim D.S. A Liquid Triboelectric Series. Adv. Mater. 2023. Vol. 35 (26). P. 2300699. https://doi.org/10.1002/adma.202300699
  20. Balmer R. Electrostatic Generation in Dielectric Fluids: The Viscoelectric Effect. In Proceedings of the WTC2005 World Tribology Congress III, Washington, DC, USA, 12–16 September 2005. Paper No. WTC2005-63806. https://doi.org/10.1115/WTC2005-63806
  21. Ivanov Y.D., Pleshakova T.O., Shumov I.D., Kozlov A.F., Ivanova I.A., Valueva A.A., Tatur V.Y., Smelov M.V., Ivanova N.D., Ziborov V.S. AFM imaging of protein aggregation in studying the impact of knotted electromagnetic field on a peroxidase. Sci. Rep. 2020. Vol. 10. P. 9022. https://doi.org/10.1038/s41598-020-65888-z
  22. Ivanov Y.D., Tatur V.Y., Shumov I.D., Kozlov A.F., Valueva A.A., Ivanova I.A., Ershova M.O., Ivanova N.D., Stepanov I.N., Lukyanitsa A.A., Ziborov V.S. The Effect of a Dodecahedron-Shaped Structure on the Properties of an Enzyme. J. Funct. Biomater. 2022. Vol. 13. P. 166. https://doi.org/10.3390/jfb13040166
  23. Ziborov V.S., Pleshakova T.O., Shumov I.D., Kozlov A.F., Valueva A.A., Ivanova I.A., Ershova M.O., Larionov D.I., Evdokimov A.N., Tatur V.Y., Aleshko A.I., Sakharov K.Y., Dolgoborodov A.Y., Fortov V.E., Archakov A.I., Ivanov Y.D. The Impact of Fast-Rise-Time Electromagnetic Field and Pressure on the Aggregation of Peroxidase upon Its Adsorption onto Mica. Appl. Sci. 2021. Vol. 11(24). P. 11677. https://doi.org/10.3390/app 112411677
  24. Ivanov Yu.D., Pleshakova T.O., Shumov I.D., Kozlov A.F., Ivanova I.A., Valueva A.A., Ershova M.O., Tatur V.Yu., Stepanov I.N., Repnikov V.V., Ziborov V.S. AFM study of changes in properties of horseradish peroxidase after incubation of its solution near a pyramidal structure. Sci. Rep. 2021. Vol. 11(1). P. 9907. https://doi.org/10.1038/s41598-021-89377-z
  25. Ivanov Y.D., Tatur V.Y., Pleshakova T.O., Shumov I.D., Kozlov A.F., Valueva A.A., Ivanova I.A., Ershova M.O., Ivanova N.D., Repnikov V.V., Stepanov I.N., Ziborov V.S. Effect of Spherical Elements of Biosensors and Bioreactors on the Physicochemical Properties of a Peroxidase Protein. Polymers. 2021. Vol. 13(10). P. 1601. https://doi.org/10.3390/polym13101601
  26. Ivanov Y.D., Tatur V.Y., Pleshakova T.O., Shumov I.D., Kozlov A.F., Valueva A.A., Ivanova I.A., Ershova M.O., Ivanova N.D., Stepanov I.N., Lukyanitsa A.A., Ziborov V.S. The Effect of Incubation near an Inversely Oriented Square Pyramidal Structure on Adsorption Properties of Horseradish Peroxidase. Appl. Sci. 2022. Vol. 12. P. 4042. https://doi.org/10.3390/app 12084042
  27. Ivanov Y.D., Tatur V.Y., Shumov I.D., Kozlov A.F., Valueva A.A., Ivanova I.A., Ershova M.O., Ivanova N.D., Stepanov I.N., Lukyanitsa A.A., Ziborov V.S. Atomic Force Microscopy Study of the Effect of an Electric Field, Applied to a Pyramidal Structure, on Enzyme Biomolecules. J. Funct. Biomater. 2022. Vol. 13. P. 234. https://doi.org/10.3390/jfb13040234
  28. Ivanov Y.D., Tatur V.Y., Shumov I.D., Kozlov A.F., Valueva A.A., Ivanova I.A., Ershova M.O., Ivanova N.D., Stepanov I.N., Lukyanitsa A.A., Ziborov V.S. The Influence of a High-Voltage Discharge in a Helicoidal Twisted-Pair Structure on Enzyme Adsorption. Electronics. 2022. Vol. 11. P. 3276. https://doi.org/10.3390/electronics11203276
  29. Ivanov Y.D., Tatur V.Y., Shumov I.D., Kozlov A.F., Valueva A.A., Ivanova I.A., Ershova M.O., Ivanova N.D., Stepanov I.N., Lukyanitsa A.A., Ziborov V.S. The Effect of a Rotating Cone on Horseradish Peroxidase Aggregation on Mica Revealed by Atomic Force Microscopy. Micromachines. 2022. Vol. 13. P. 1947. https://doi.org/10.3390/mi13111947
  30. Ivanov Y.D., Tatur V.Y., Shumov I.D., Kozlov A.F., Valueva A.A., Ivanova I.A., Ershova M.O., Ivanova N.D., Stepanov I.N., Lukyanitsa A.A., Ziborov V.S. Effect of a Conical Cellulose Structure on Horseradish Peroxidase Biomacromolecules. Appl. Sci. 2022. Vol. 12. P. 11994. https://doi.org/10.3390/app 122311994
  31. Kiselyova O.I., Yaminsky I., Ivanov Y.D., Kanaeva I.P., Kuznetsov V.Y., Archakov A.I. AFM study of membrane proteins, cytochrome P 4502B4, and NADPH–Cytochrome P 450 reductase and their complex formation. Arch. Biochem. Biophys. 1999. Vol. 371. PP. 1–7. https://doi.org/10.1006/abbi.1999.1412
  32. Sanders S.A., Bray R.C., Smith A.T. pH-dependent properties of a mutant horseradish peroxidase isoenzyme C in which Arg38 has been replaced with lysine, Eur J Biochem 1994. Vol. 224. PP. 1029–1037. https://doi.org/10.1111/j.1432-1033.1994.01029.x
  33. Pleshakova T.O., Kaysheva A.L., Shumov I.D., Ziborov V.S., Bayzyanova J.M., Konev V.A., Uchaikin V.F., Archakov A.I., Ivanov Y.D. Detection of hepatitis C virus core protein in serum using aptamer-functionalized AFM chips. Micromachines. 2019. Vol. 10. P. 129. https://doi.org/10.3390/mi10020129
  34. Першин С.М. Квантовая природа значений температуры особых точек воды: -80, -42, 4, 19, 36.6, 48, 60 °С. Тезисы докладов 3й всероссийской конференции "Физика водных растворов". Москва, 14–15 декабря 2020. 56 с. С. 41. https://doi.org/10.24412/cl-35040-2020-41-41

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис.1. Фотоизображение гидродинамического генератора в сборе

Скачать (154KB)
Метаданные
3. Рис.2. Схема эксперимента по инкубации раствора ПХ для изучения эффекта воздействия воды, подвергнутой кавитации восемь месяцев назад, на раствор фермента ПХ. Пробирку с рабочим образцом раствора ПХ (1) инкубировали в стакане с водой, подвергнутой кавитации. Пробирку с контрольным образцом раствора ПХ (2) инкубировали в стакане с водопроводной водой, который размещали на расстоянии 10 м от стакана с водой, подвергнутой кавитации восемь месяцев назад

Скачать (34KB)
Метаданные
4. Рис.3. Типичные АСМ-изображения поверхности подложек из свежесколотой слюды, инкубированных в исследованных образцах раствора ПХ. Образец раствора ПХ инкубировали в течение трех часов в стакане с водой, подвергнутой кавитации восемь месяцев назад (a, рабочий образец) или в стакане с водопроводной водой, расположенном в 10 м от стакана с кавитационной водой (b, контрольный образец). Экспериментальные условия: 10–7 М ПХ в 2 мМ ФСБ-Д, pH 7,4, T= 23 °С, время инкубации 3 ч. Размер каждого скана 2×2 мкм

Скачать (221KB)
Метаданные
5. Рис.4. Графики распределений относительного количества визуализированных объектов по высотам ρ(h), полученные для исследованных образцов раствора ПХ. Образец выдерживали в течение трех часов в стакане с водой, подвергнутой кавитации восемь месяцев назад (рабочий образец, красная кривая), или в стакане с водопроводной водой, расположенном в 10 м от стакана с кавитационной водой (контрольный образец, синяя кривая). Экспериментальные условия: 10–7 М ПХ в 2 мМ ФСБ-Д, pH 7,4, T = 23 °С, время инкубации 3 ч

Скачать (64KB)
Метаданные
6. Рис.5. Гистограммы абсолютного числа визуализированных объектов (нормированные на площадь 400 мкм2) в зависимости от высот объектов N400(h), полученные для исследованных образцов раствора ПХ. Образец выдерживали в течение трех часов в стакане с водой, подвергнутой кавитации восемь месяцев назад (рабочий образец, красные столбцы), или в стакане с водопроводной водой, расположенном в 10 м от стакана с кавитационной водой (контрольный образец, синие столбцы). Экспериментальные условия: 10–7 М ПХ в 2 мМ ФСБ-Д, pH 7,4, T = 23 °С, время инкубации 3 ч

Скачать (51KB)
Метаданные
7. Рис.6. Зависимости поглощения при 405 нм от времени A405(t), полученные для исследованных образцов раствора ПХ. Образец выдерживали в течение трех часов в стакане с водой, подвергнутой кавитации восемь месяцев назад (рабочий образец, красная кривая), или в стакане с водопроводной водой, расположенном в 10 м от стакана с кавитационной водой (контрольный образец, синяя кривая). Экспериментальные условия: концентрация ПХ в СФ кювете 10–9 М, pH 5,0, T = 23 °С, длина оптического пути СФ кюветы 1 см

Скачать (63KB)
Метаданные

© Иванов Ю.Д., Шумов И.Д., Важенкова Е.Е., Аблеев А.Н., Козлов А.Ф., Виноградова А.В., Неведрова Е.Д., Афонин О.Н., Татур В.Ю., Лукьяница А.А., Шишкин А.Л., Иванова Н.Д., Еникеев Д.В., Юшков Е.С., Кузнецов М.М., Долгобородов А.Ю., Зиборов В.С., 2025