Как меняются общепринятые подходы к применению полимерсодержащих композитов в молекулярной диагностике

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Известные подходы к выделению биополимеров, в частности нуклеиновых кислот (НК), из биологических проб основаны на связывании молекул с сорбентом (“позитивная селекция”) с их последующей элюцией с использованием подходящего элюента. В обзорной статье обсуждаются физико-химические процессы, положенные в основу разработки способов выделения НК из биологических образцов. Показано, что методы, включающие твердофазную селективную экстракцию (т.е. обратимую сорбцию), обеспечивают возможность миниатюризации и автоматизации соответствующих процессов. В обзоре обсуждаются преимущества альтернативного подхода к выделению НК, основанного на использовании специальных сорбентов, связывающих белки и другие компоненты биологических проб, в то время как эти сорбенты проявляют сорбционную инертность по отношению к НК (“негативная селекция”). Рассмотрены подходы к созданию таких композитных полимерсодержащих сорбентов, используемых в пробоподготовке при проведении молекулярной диагностики, и способы их эффективного применения. Продемонстрировано, что благодаря междисциплинарному подходу с использованием комплекса синтетических и аналитических методов удается объединить в качестве единого объекта исследования такие весьма разные по структуре и свойствам материалы, как наноструктурированные композиты (на основе пористых кремнеземов, синтетических мембран, стеклянных мультикапилляров), содержащие фторполимеры и полианилины. Обсуждаются результаты использования таких композитов при селективном выделении НК и/или белков из биологических образцов. Рассмотрены альтернативные области применения таких композитов в молекулярной диагностике, в частности в масс-спектрометрии. Обрисованы направления расширения области применения полимерсодержаих композитов благодаря одновременному использованию сорбционных качеств поверхности получаемых композитов и свойств молекул сорбата. Показано, что для технологичного получения таких композитов пригодны как полимерные, так и низкомолекулярные модификаторы одинаковой химической природы.

Об авторах

Д. В. Капустин

ФГБУН “Институт биоорганической химии им. академиков М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова” РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: kapustin@ibch.ru
Россия, 117997, Москва, ул. Миклухо-Маклая, 16/10

Список литературы

  1. Sambrook J., Russel D.W. // Molecular cloning: a laboratory manual. 3rd edition / Ed. Russel D.W. Cold Spring Harbor, NY: Cold Spring Harbor Laboratory Press, 2001. 2100 p.
  2. Marko M.A., Chipperfield R., Birnboim H.C. // Anal. Biochem. 1982. V. 121. P. 382–387. https://doi.org/10.1016/0003-2697(82)90497-3
  3. Chomczynski P., Sacchi N. // Nat. Protoc. 2006. V. 1. P. 581–585. https://doi.org/10.1038/nprot.2006.83
  4. Carr S.M., Griffith O.M. // Biochem. Genet. 1987. V. 25. P. 385–390. https://doi.org/10.1007/BF00554547
  5. Janson J.-Ch. // Protein purification: principles, high resolution methods, and applications. 3rd edition / Ed. Janson J.-Ch. Hoboken. NJ: John Wiley & Sons, Inc., 2011. 548 p.
  6. Albertson P.-A. // Partition of cell and macromoleculs. separation and purification of biomolecules, cell organelles, membranes and cell in aqueous polymer two-phase systems and their use in biochemical analysis and biotechnology. 3rd edition / Ed. Albertson P.-A. NY: John Wiley & Sons, Inc., 1986. 346 p.
  7. Остерман Л.А. // Хроматография белков и нуклеиновых кислот / Отв. ред. Георгиев Г.П. М.: Наука, 1985. 536 с.
  8. Snyder L.R., Kirkland J.J. // Introduction to modern liquid chromatography. 2nd edition / NY, Chichester, Brisbane, Toronto: John Wiley & Sons, Inc., 1979. 863 p.
  9. Rother D., Sen T., East D., Bruce I.J. // Nanomedicine (Lond). 2011. V. 6. P. 281–300. https://doi.org/10.2217/nnm.10.159
  10. Melzak K.A., Sherwood C.S., Turner R.F.B., Haynes C.A. // J. Colloid Interface Sci. 1996. V. 181. P. 635–644. https://doi.org/10.1006/JCIS.1996.0421
  11. Beld M., Sol C., Goudsmit J., Boom R // Nucl. Acids Res. 1996. V. 24. P. 2618–2619. https://doi.org/10.1093/nar/24.13.2618
  12. Yagudaeva E.Yu., Zybin D.I., Vikhrov A.A., Prostyakova A.I., Ischenko A.A., Zubov V.P., Kapustin D.V. // Colloids Surf. B Biointerfaces. 2018. V. 163. P. 83–90. https://doi.org/10.1016/j.colsurfb.2017.12.025
  13. QIAamp DNA Mini Kit and QIAamp DNA Blood Mini Kit Handbook // Qiagen, 2003. https://depts.washington.edu/kellylab/wordpress/wp-content/uploads/2019/03/QIAGEN_protocol.pdf
  14. Капустин Д.В. // Фторполимер- и полианилинсодержащие композиты как эффективный инструмент молекулярной биотехнологии. Дис. докт. хим. наук, ИБХ им. академиков М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова РАН, Москва, 2020.
  15. Hjerten S. // J. Chromatogr. A. 1978. V. 159. P. 47–55. https://doi.org/10.1016/S0021-9673(00)98545-5
  16. Hjerten S., Hellman U. // J. Chromatogr. A. 1980. V. 202. P. 391–395. https://doi.org/10.1016/S0021-9673(00)91823-5
  17. Муйдинов М.Р. // Российский химический журнал (Журнал Российского химического общества им. Д.И. Менделеева). 2008. Т. LII. № 3. С. 81–89.
  18. Муйдинов М.Р. // Патент RU 2104695 C1, 1998.
  19. Сабуров В.В., Муйдинов М.Р., Гурьянов С.А., Катаев А.Д., Туркин С.И., Зубов В.П. // Журнал физической химии. 1991. Т. 65. № 10. С. 2692–2698.
  20. Капустин Д.В., Ягудаева Е.Ю., Завада Л.Л., Жигис Л.С., Зубов В.П., Ярошевская Е.М., Плобнер Л., Лайзер Р.-М., Брем Г. // Биоорг. химия. 2003. Т. 29. С. 310–315. [Kapustin D.V., Yagudaeva E.Yu., Zavada L.L., Zhigis L.S., Zubov V.P. Yaroshevskaya E.M., Plobner L., Leiser R.-M. // Russ. J. Bioorg. Chem. 2003. V. 29. P. 281–285.] https://doi.org/10.1023/a:1023992701568
  21. Ivanov A.E., Saburov V.V., Zubov V.V. // Advances in Polymer Science. 1992. V. 104. P. 134–175. https://doi.org/10.1007/3-540-55109-3_4
  22. Zubov V.P., Kapustin D.V., Generalova A.N., Yagudaeva E.Yu., Vikhrov A.A., Sizova S.V., Muydinov M.R. // Polymer Science Series A. 2007. V. 49. P. 1247–1264. https://doi.org/10.1134/S0965545X07120036
  23. Liaw D.-J., Yagudaeva E.Yu., Prostyakova A.I., Lazov M.A., Zybin D.I., Ischenko A.A., Zubov V.P., Chang C.-H., Huang Y.-C., Kapustin D.V. // Colloids Surf. B. 2016. V. 145. P. 912–921. https://doi.org/10.1016/j.colsurfb.2016.05.068
  24. Льяо Д.-Дж., Зыбин Д.И., Простякова А.И., Ягудаева Е.Ю., Вихров А.А., Ищенко А.А., Зубов В.П., Капустин Д.В. // Известия ВУЗов. Химия и химическая технология. 2018. Т. 61. С. 4–22. https://doi.org/10.6060/tcct.2018610
  25. Nikitin P.I., Gorshkov B.G., Nikitin E.P., Ksenevich T.I. // Sensors Actuators B. 2005. V. 111. P. 500–504. https://doi.org/10.1016/J.SNB.2005.03.043
  26. Orlov A.V., Pushkarev A.V., Znoyko S.L., Novichikhin D.O., Bragina V.A., Gorshkov B.G., Nikitin P.I. // Biosensors and Bioelectronics. 2020. V. 159. P. 112187. https://doi.org/10.1016/j.bios.2020.112187
  27. Walter W., Focke G.E., Wnek Y.W. // J. Phys. Chem. 1987. V. 91. P. 5813–5818. https://doi.org/10.1021/J100306A059
  28. Kapustin D., Prostyakova A., Bryk Ya., Yagudaeva E., Zubov V. // In: Nanocomposites and polymers with analytical methods / Ed. Cuppoletti J. Croatia: Intech, 2011. P. 83–106. https://doi.org/10.5772/18081
  29. Капустин Д.В., Зубов В.В. // Вестник МИТХТ. 2011. Т. 6. № 5. С. 21–46.
  30. Капустин Д.В., Сабуров В.В., Завада Л.Л., Евстратов А.В., Барсамян Г.Б., Зубов В.П. // Биоорг. химия. 1998. Т. 24. С. 868–876. [Kapustin D.V., Saburov V.V., Zavada L.L., Evstratov A.V. Barsamyan G.B., Zubov V.P. // Russ. J. Bioorg. Chem. 1998. V. 24. P. 770–777.]
  31. Kapustin D.V., Yagudaeva E.Y., Zubov V.P., Muydinov M.R., Yaroshevskaja E.M., Plobner L., Leiser R.-M., Brem G. // In: Frontiers in DNA Research / Ed. Woods C.R. NY: Nova Science Publishers, 2006. P. 113–136.
  32. Yagudaeva E.Yu., Muydinov M.R., Kapustin D.V., Zubov V.P. // Russ. Chem. Bull. Int. Ed. 2007. V. 56. P. 1166–1173. https://doi.org/10.1007/S11172-007-0177-Y
  33. Yagudaeva E.Yu., Bukina Ya.A., Prostyakova A.I., Zubov V.P., Tverskoy V.A., Kapustin D.V. // Polymer Sci. Ser. A. 2009. V. 51. P. 675–682. https://doi.org/10.1134/S0965545X09060121
  34. Kapustin D.V., Prostyakova A.I., Ryazantcev D.Yu., Zubov V.P. // Nanomedicine (Lond). 2011. V. 6. P. 241–255. https://doi.org/10.2217/nnm.11.6
  35. Простякова А.И. // Синтез полимерсодержащих сорбентов и их использование для одностадийного выделения ДНК. Дис. канд. хим. наук, ИБХ им. академиков М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова РАН, Москва, 2013.
  36. Kapustin D.V., Prostyakova A.I., Zubov V.P. // Bioanalysis. 2014. V. 6. P. 957–966. https://doi.org/10.4155/bio.13.332
  37. Скибина Ю.С., Белоглазов В.И., Тучин В.В., Капустин Д.В., Простякова А.И. // Патент RU 2547597 C1, 2015.
  38. Капустин Д.В., Тарасов А.В., Простякова А.И., Лепешин С.А. // Патент RU 2631934 C1, 2017.
  39. Kapustin D.V., Prostyakova A.I., Alexeev Ya.I., Varlamov D.A., Zubov V.P., Zavriev S.K. // Acta Naturae. 2014. V. 6. C. 6–10. https://doi.org/10.32607/20758251-2014-6-2-48-52
  40. Zybin D.I., Prostyakova A.I., Kapustin D.V. // Microchem. J. 2021. V. 166. P. 106225. https://doi.org/10.1016/J.MICROC.2021.106225
  41. Иванова В.Т., Иванов В.Ф., Грибкова О.Л., Курочкина Я.Е., Матюшина Р.О., Ванников А.В. // Патент RU 2372951 C2, 2009.
  42. Морозова Е.О. // Сорбционное взаимодействие микропатогенов с полимерными материалами на основе полипиррола. Дис. канд. биол. наук, ФГБУ “НИЦЭМ им. Н.Ф. Гамалеи”, Москва, 2018.
  43. Ivanova V.T., Garina E.O., Burtseva E.I., Kirillova E.S., Ivanova M.V., Stejskal J., Sapurina I.Yu. // Chem. Papers. 2017. V. 71. P. 495–503.
  44. Зайцева И.П., Серебрянский Е.П., Скальная М.Г., Капустин Д.В. // Вестник восстановительной медицины. 2014. №. 2 (60). С. 62–65.
  45. Vaczine-Shlosser G., Ribbing C., Bachman P.K., Zubov V.P., Kapustin D.V. // Int. Application WO 2011004308 A1, 2011.
  46. Yagudaeva E., Vikhrov A., Malakhova Yu., Iskandyarova Yu., Firsova M., Prostyakova A., Korovin A., Malakhov S., Nichugovskiy A., Zubov V., Kapustin D. // Synthetic Metals. 2021. V. 274. P. 116712. https://doi.org/10.1016/j.synthmet.2021.116712
  47. Wang Y., Tran H.D., Liao L., Duan X., Kaner R. // J. Am. Chem. Soc. 2010. V. 132. P. 10365–10373. https://doi.org/10.1021/ja1014184
  48. MacDiarmid A.G., Zhou Y., Feng J. // Synthetic Metals. 1999. V. 100. P. 131–140. https://doi.org/10.1016/S0379-6779(98)00164-7
  49. Yepez G., Poyil A.N., Bugarin A. // Synthesis. 2019. V. 51. P. 3611–3616. https://doi.org/10.1055/S-0037-1611889
  50. Chu J.W.-F., Hsu Sh.-Ch., Lu Y., Yu Y., Santiago K.S., Yeh J. // Polymer. 2017. V. 128. P. 218–228. https://doi.org/10.1016/J.POLYMER.2017.09.034
  51. Liu Y., Li J., Zhu J., Lyu W., Xu H., Feng J., Yan W. // Colloid Polym. Sci. 2018. V. 296. P. 1777–1786. https://doi.org/10.1007/s00396-018-4401-0
  52. Ding Y., Liang J., Liu G., Ni W., Shen L. // Coatings. 2019. V. 9. P. 399–411. https://doi.org/10.3390/COATINGS9060399
  53. Wei Z., Faul C. // Macromol. Rapid Commun. 2008. V. 29. P. 280–292. https://doi.org/10.1002/MARC.200700741
  54. Wang W., MacDiarmid A.G. // Synthetic Metals. 2002. V. 129. P. 199–205. https://doi.org/10.1016/S0379-6779(02)00053-X

© Д.В. Капустин, 2023