1. Научно-исследовательский институт биомедицинской химии имени В.Н. Ореховича, Москва, Россия 2. Академический университет имени Ж.И. Алферова, Санкт-Петербург, Россия; Институт аналитического приборостроения, Санкт-Петербург, Россия
В настоящей работе продемонстрировано использование твердотельного нанопорового детектора для мониторинга активности единичной молекулы модельного фермента — пероксидазы хрена (ПХ). Этот детектор включал в себя измерительную ячейку, разделенную на цис- и транс-камеры чипом из нитрида кремния (SiN структуры) с нанопорой диаметром 5 нм. Для встраивания единичной молекулы ПХ в нанопору, в цис-камеру помещали электрод и прикладывали к нему отрицательное напряжение, после чего в эту камеру добавляли раствор ПХ. После этого проводили реакцию окисления субстрата ПХ — 2,2-азино-бис(3-этилбензотиазолин-6-сульфоната) (АБТС) — этой молекулой в присутствии пероксида водорода. В процессе этой реакции проводили мониторинг функционирования встроенной в нанопору единичной молекулы ПХ путём регистрации зависимости ионного тока, протекающего через нанопору, от времени. Предложенный в нашей работе подход может позволить в дальнейшем исследовать функционирование различных ферментов на уровне единичных молекул, что является важным шагом в развитии энзимологии единичных молекул.
Иванов Ю.Д., Аблеев А.Н., Виноградова А.В., Неведрова Е.Д., Шумов И.Д., Зиборов В.С., Козлов А.Ф., Иванова И.А., Ваулин Н.В., Лебедев Д.В., Букатин А.С., Мухин И.С., Пономаренко Е.А., Арчаков А.И. (2024) Регистрация активности единичной молекулы пероксидазы хрена с помощью детектора на базе твердотельной нанопоры. Биомедицинская химия, 70(5), 349-355.
Иванов Ю.Д. и др. Регистрация активности единичной молекулы пероксидазы хрена с помощью детектора на базе твердотельной нанопоры // Биомедицинская химия. - 2024. - Т. 70. -N 5. - С. 349-355.
Иванов Ю.Д. и др., "Регистрация активности единичной молекулы пероксидазы хрена с помощью детектора на базе твердотельной нанопоры." Биомедицинская химия 70.5 (2024): 349-355.
Иванов, Ю. Д., Аблеев, А. Н., Виноградова, А. В., Неведрова, Е. Д., Шумов, И. Д., Зиборов, В. С., Козлов, А. Ф., Иванова, И. А., Ваулин, Н. В., Лебедев, Д. В., Букатин, А. С., Мухин, И. С., Пономаренко, Е. А., Арчаков, А. И. (2024). Регистрация активности единичной молекулы пероксидазы хрена с помощью детектора на базе твердотельной нанопоры. Биомедицинская химия, 70(5), 349-355.
Список литературы
Uhlen M., Ponten F. (2005) Antibody-based proteomics for human tissue profiling. Mol. Cell. Proteomics, 4(4), 384–393. CrossRef Scholar google search
Archakov A.I., Ivanov Y.D., Lisitsa A.V., Zgoda V.G. (2007) AFM fishing nanotechnology is the way to reverse the Avogadro number in proteomics. Proteomics, 7(1), 4–9. CrossRef Scholar google search
Gygi S.P., Rochon Y., Franza B.R., Aebersold R (1999) Correlation between protein and mRNA abundance in yeast. Mol. Cell. Biol., 19(3), 1720–1730. CrossRef Scholar google search
Futcher B., Latter G.I., Monardo P., McLaughlin C.S., Garrels J.I. (1999) A sampling of the yeast proteome. Mol. Cell. Biol., 19(11), 7357–7368. CrossRef Scholar google search
Luo Y., Wu L., Tu J., Lu Z. (2020) Application of solid-state nanopore in protein detection. Int. J. Mol. Sci., 21(8), 2808. CrossRef Scholar google search
Galvanetto N., Ye Z., Marchesi A., Mortal S., Maity S., Laio A., Torre V. (2022) Unfolding and identification of membrane proteins in situ. eLife, 11, e77427. CrossRef Scholar google search
Radmacher M., Fritz M., Cleveland J.P., Walters D.A., Hansma P.K. (1994) Imaging adhesion forces and elasticity of lysozyme adsorbed on mica with the atomic force microscope. Langmuir, 10(10), 3809–3814. CrossRef Scholar google search
Pleshakova T.O., Bukharina N.S., Archakov A.I., Ivanov Y.D. (2018) Atomic force microscopy for protein detection and their physicochemical characterization. Int. J. Mol. Sci., 19(4), 1142. CrossRef Scholar google search
Patolsky F., Zheng G., Hayden O., Lakadamyali M., Zhuang X., Lieber C.M. (2004) Electrical detection of single viruses. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 101(39), 14017–14022. CrossRef Scholar google search
Omichi M., Asano A., Tsukuda S., Takano K., Sugimoto M., Saeki A., Sakamaki D., Onoda D., Hayashi T., Seki S. (2014) Fabrication of enzyme-degradable and size-controlled protein nanowires using single particle nano-fabrication technique. Nat. Commun., 5(1), 3718. CrossRef Scholar google search
Ying C., Ma T., Xu L., Rahmani M. (2022) Localized nanopore fabrication via controlled breakdown. Nanomaterials, 12(14), 2384. CrossRef Scholar google search
Sheng Y., Zhang S., Liu L., Wu H.C. (2020) Measuring enzymatic activities with nanopores. ChemBioChem, 21(15), 2089–2097. CrossRef Scholar google search
Pham B., Eron S.J., Hill M.E., Li X., Fahie M.A., Hardy J.A., Chen M. (2019) A nanopore approach for analysis of caspase-7 activity in cell lysates. Biophys. J., 117(5), 844–855. CrossRef Scholar google search
Chen H., Lin Y., Long Y.T., Minteer S.D., Ying Y.L. (2022) Nanopore-based measurement of the interaction of P450cam monooxygenase and putidaredoxin at the single-molecule level. Faraday Discussions, 233, 295–302. CrossRef Scholar google search
Wloka C., van Meervelt V., van Gelder D., Danda N., Jager N., Williams C.P., Maglia G. (2017) Label-free and real-time detection of protein ubiquitination with a biological nanopore. ACS Nano, 11(5), 4387–4394. CrossRef Scholar google search
Willems K., van Meervelt V., Wloka C., Maglia G. (2017) Single-molecule nanopore enzymology. Philos. Trans. R. Soc. Lond. B Biol. Sci., 372(1726), 20160230. CrossRef Scholar google search
Lee K., Park K.B., Kim H.J., Yu J.S., Chae H., Kim H.M., Kim K.B. (2018) Recent progress in solid-state nanopores. Adv. Mater., 30(42), 1704680. CrossRef Scholar google search
Steinbock L.J., Krishnan S., Bulushev R.D., Borgeaud S., Blokesch M., Feletti L., Radenovic A. (2014) Probing the size of proteins with glass nanopores. Nanoscale, 6(23), 14380–14387. CrossRef Scholar google search
Lee M.H., Kumar A., Park K.B., Cho S.Y., Kim H.M., Lim M.C. (2014) A low-noise solid-state nanopore platform based on a highly insulating substrate. Sci. Rep., 4(1), 7448. CrossRef Scholar google search
Deamer D., Akeson M., Branton D. (2016) Three decades of nanopore sequencing. Nat. Biotechnol., 34(5), 518–524. CrossRef Scholar google search
Pérez-Mitta G., Toimil-Molares M.E., Trautmann C., Marmisollé W.A., Azzaroni O. (2019) Molecular design of solid-state nanopores: Fundamental concepts and applications. Adv. Mater., 31(37), 1901483. CrossRef Scholar google search
Waugh M., Briggs K., Gunn D., Gibeault M., King S., Ingram Q., Jimenez A.M., Berryman S., Lomovtsev D., Andrzejewski L., Tabard-Cossa V. (2020) Solid-state nanopore fabrication by automated controlled breakdown. Nature Protocols, 15(1), 122–143. CrossRef Scholar google search
Tan S., Wang L., Liu H., Wu H., Liu Q. (2016) Single nanoparticle translocation through chemically modified solid nanopore. Nanoscale Res. Lett., 11, 1–10. CrossRef Scholar google search
Nam S.W., Rooks M.J., Kim K.B., Rossnagel S.M. (2009) Ionic field effect transistors with sub-10 nm multiple nanopores. Nano Lett., 9(5), 2044–2048. CrossRef Scholar google search
Li J., Stein D., McMullan C., Branton D., Aziz M.J., Golovchenko J.A. (2001) Ion-beam sculpting at nanometre length scales. Nature, 412(6843), 166–169. CrossRef Scholar google search
Kwok H., Briggs K., Tabard-Cossa V. (2014) Nanopore fabrication by controlled dielectric breakdown. PloS ONE, 9(3), e92880. CrossRef Scholar google search
Krainer F.W., Glieder A. (2015) An updated view on horseradish peroxidases: Recombinant production and biotechnological applications. Appl. Microbiol. Biotechnol., 99(4), 1611–1625. CrossRef Scholar google search
Davies P.F., Rennke H.G., Cotran R.S. (1979) Influence of molecular charge upon the endocytosis and intracellular fate of peroxidase activity in cultured arterial endothelium. J. Cell Sci., 49(1), 69–86. CrossRef Scholar google search
Welinder K.G. (1979) Amino acid sequence studies of horseradish peroxidase. Amino and carboxyl termini, cyanogen bromide and tryptic fragments, the complete sequence, and some structural characteristics of horseradish peroxidase C. Eur. J. Biochem., 96, 483–502. CrossRef Scholar google search
Zhu L., Gu D., Liu Q. (2017) Hydrogen peroxide sensing based on inner surfaces modification of solid-state nanopore. Nanoscale Res. Lett., 12, 1–10. CrossRef Scholar google search
Tan S.W., Gu D.J., Liu H., Liu Q.J. (2016) Detection of a single enzyme molecule based on a solid-state nanopore sensor. Nanotechnology, 27(15), 155502. CrossRef Scholar google search
Sigma-Aldrich. Certificate of Analysis. Peroxidase from horseradish. Type VI-A, essentially salt-free, lyophilized powder, ≥250 units/mg solid (using pyrogallol), 950–2000 units/mg solid (using ABTS). Product Number P6782, Batch Number SLCK8071. Retrieved March 21, 2024, from: https://www.sigmaaldrich.com/certificates/COFA/P6/P6782/ P6782-BULK________SLCK8071__.pdf. Scholar google search
Berglund G.I., Carlsson G.H., Smith A.T., Szöke H., Henriksen A., Hajdu J. (2002) The catalytic pathway of horseradish peroxidase at high resolution. Nature, 417(6887), 463–468. CrossRef Scholar google search
Sanders S.A., Bray R.C., Smith A.T. (1994) pH-Dependent properties of a mutant horseradish peroxidase isoenzyme C in which Arg38 has been replaced with lysine. Eur. J. Biochem., 224, 1029–1037. CrossRef Scholar google search
Merck. Enzymatic Assay of Peroxidase (EC 1.11.1.7) 2,2-Azino-Bis(3-Ethylbenzthiazoline-6-Sulfonic Acid) as a Substrate Sigma Prod. No. P-6782. Retrieved March 21, 2024, from: https://www.sigmaaldrich.com/ RU/en/technical-documents/protocol/protein-biology/ enzymeactivity-assays/enzymatic-assay-of-peroxidase-abtsas- substrate. Scholar google search
