Конкурс научных работ 2015 года

Константа скорости диффузионно-контролируемой
ассоциации реакционно-анизотропных частиц
с несколькими активными пятнами:
теоретический расчет и практическое использование
в исследовании лиганд-рецепторного связывания.

Чернышев А.В., Некрасов В.М., Юркин М.А., Москаленский А.Е, Петров. А.К., Мальцев В.П., Суровцев И.В. 1, Разумов И.А.2, Швалов А.Н.2, Локтев В.Б. 2, Soini J.T.3, Яковлева Г.Е. 4, Польщицин А.А., Parks D.R. 5, Moore W.A.5, Filatenkov A.6, Orlova D.Y.5

Расшифровка авторов

1Microbial Diversity Institute, Yale University, West Haven, USA.,
2ГНЦ ВБ “Вектор”, Россия,
3Department of Medical Physics and Chemistry, University of Turku, Finland,
4ЗАО “Вектор-Бест”, Россия,
5Department of Genetics, Stanford University School of Medicine, 279 Campus Drive, 94305 Stanford, CA, USA,
6Division of Immunology and Rheumatology, Stanford University School of Medicine, 269 Campus Drive, 94305 Stanford, CA, USA)

1. Общая формулировка научной проблемы и ее актуальность.

Во многих кинетических задачах химии и биологии рассматривается реакция ассоциации (агрегации) двух частиц (в том числе молекул), у которых реакционно-активной является лишь небольшая часть их поверхности, называемая часто «активным пятном». К таким задачам относятся, в частности: радикальные реакции, лигад-рецепторное связывание, коллоидная агрегация, ферментативный катализ, мембранный транспорт биологических клеток, технология «patched particles» и пр. Однако, проблема теоретического расчета константы скорости реакции таких реакционно-анизотропных частиц, особенно в конденсированной фазе и для нескольких пятен с разным стерическим коэффициентом на разных реакционных партнерах, до настоящего времени далека от полного решения. Это тормозит развитие как теоретического моделирования, так и экспериментального исследования в самых разных областях химии, биологии, биотехнологии, медицины. С данной проблемой связана, в частности, важная задача определения количества сайтов связывания на одиночных микрочастицах (например, рецепторов на биологической клетке), решение которой в настоящее время традиционной калибровкой (с использованием латексных микрочастиц) не удовлетворяет современным требованиям по точности и воспроизводимости.

2. Конкретная решаемая в работе задача и ее значение.

В данной работе была поставлена задача получить применимую для практического использования (в экспериментальном исследовании) аналитическую формулу для диффузионной (в т.ч. “псевдо-реакционной”) константы скорости ассоциации в конденсированной фазе двух реакционно-анизотропных частиц (например, биологическая клетка и молекула иммуноглобулина) в общем случае, когда реагенты отличаются не только количеством, но и размером активных пятен. С рамках данного подхода планировалось разработать новый без-калибровочный метод определения количества пятен на одиночных частицах (рецепторов на биологических клетках) по кинетическим данным проточного цитофлуориметра, используя (вместо традиционной калибровки флуоресцентными латексами) известный размер пятна.

3. Используемый подход, его новизна и оригинальность.

Для теоретического расчета использовалось кинематическое приближение диффузионно-контролируемых реакций частиц с анизотропной реакционной способностью, которое хорошо себя зарекомендовало в задачах диффузионной кинетики для более частных случаев, когда в качестве второй реагирующей частицы рассматривается материальная точка, или когда оба реагента имеют по одному активному пятну. Экспериментальная работа по кинетике лиганд-рецепторного связывания на поверхности биологических частиц (мышиных гибридомных клеток и человеческих лимфоцитах) выполнена с использованием проточного цитофлуориметра. Обработка экспериментальным данных для определения константы скорости ассоциации молекулы лиганда с единичным рецептором с учетом неизвестного распределения клеток по количеству рецепторам проводилась оригинальным методом анализа динамики функций распределения.

4. Полученные результаты и их значимость.

1) На основании нового подхода (рассмотрении активного пятна как несвязанной области, состоящей из нескольких отдельных пятен) впервые получена и экспериментально подтверждена аналитическая формула для диффузионной константы скорости ассоциации двух сферических реакционно-анизотропных частиц в общем случае, когда реагенты отличаются не только количеством, но и относительным размером активных пятен.

2) Используя данную формулу, по измеренной на проточном цитофлуореметре кинетике лиганд-рецепторного взаимодействия, впервые определен размер активных пятен на одиночных частицах (мышиных гибридомных клетках и лейкоцитах человека).

3) Предложен и экспериментально подтвержден безкалибровочный метод определения количества сайтов связывания (рецепторов) на поверхности частиц (биологических клеток) по кинетическим данным проточной цитофлуориметрии используя известное значение размера сайта связывания лиганд-рецептор.

5. Уровень полученных результатов в сравнении с мировым.

Развиваемые авторами оригинальные экспериментальные и теоретические методы находятся на уровне современных достижений в данной области мировой науки. Работы поддерживались российскими грантами (РФФИ 12-04-00737-а, МНТЦ 1777, РНФ 14-15-00155), а также грантом Президента Российской Федерации для государственной поддержки ведущих научных школ "Научная школа НШ-2996.2012.4". Результаты работы докладывались авторами на научных семинарах ИХКГ СО РАН и международных конференциях.

6. Вклад авторского коллектива.

Данная работа была выполнена в сотрудничестве научных коллективов нескольких институтов. Авторский коллектив ИХКГ СО РАН (А.В. Чернышев, В.М. Некрасов, А.Е. Москаленский, М.А. Юркин, А.К. Петров и В.П. Мальцев) внес основной вклад в постановку задачи и ее решения теоретическими и экспериментальными методами.

Список публикаций.
  1. I.V. Surovtsev, I.A. Rasumov, V.M. Nekrasov, A.N. Shvalov, J.T. Soini, V.P. Maltsev, A.K. Petrov, V.B. Loktev, A.V. Chernyshev. Mathematical modeling the kinetics of cell distribution in the process of ligand - receptor binding. Journal of Theoretical Biology, v. 206, pp. 407-417, 2000.
  2. V.M. Nekrasov, A.A. Polschitsin, M.A. Yurkin, G.E. Yakovleva, V.P. Maltsev, A.V. Chernyshev, Brownian aggregation rate of colloid particles with several active sites. Journal of Chemical Physics, v. 141, pp.064309: 1-9, 2014.
  3. A.E. Moskalensky, A.V. Chernyshev, M.A. Yurkin, V.M. Nekrasov, A.A. Polshchitsin, D.R. Parks, W.A.Moore, A. Filatenkov, V.P. Maltsev, D.Y. Orlova. Dynamic quantification of antigen molecules with flow cytometry. Journal of Immunological Methods, v. 418, pp. 66-74, 2015.


© 2015 ИХКГ СО РАН, г. Новосибирск