Амерханова Сюмбеля Камилевна

ОТЧЕТ по научным исследованиям за 2 курс, 2 семестр обучения

 

Направление подготовки	06.06.01 Биологические науки
Направленность (специальность)	03.02.03 Микробиология
Структурное подразделение ФИЦ КазНЦ РАН, Лаборатория	Институт органической и физической химии им. А. Е. Арбузова Лаборатория микробиологии
Научный руководитель	к.б.н. Александра Дмитриевна Волошина
Тема научно-квалификационной работы	Антимикробные и токсические свойства моно и дикатионных поверхностно-активных веществ с циклической головной группой

 

1. Выполнение индивидуального плана научных исследований (за соответствующий период)

 

№ п/п	Запланировано	Выполнено (% выполнения)
	Определение механизма антимикробной активности веществ, оценка цитотоксических свойств исследуемых соединений	Объем выполнения: 100%

 

2. Краткое описание полученных на текущий момент результатов

 

m-s-m (Im), где m=8, 10, 12, 14,  16, s=2; 3; 4	Im-n, где n = 10, 12, 14, 16,18.

Рис.1. Структурные формулы исследованных соединений

Объектами исследования служили дикатионных алкилимидазолиевых ПАВ серии m-s-m (Im) с переменной длиной гидрофобной группы (m = 8, 10, 12, 14, 16) и спейсерного фрагмента (s = 2, 3, 4), а также их монокатионные аналоги (рис.1). Установлена связь структуры протестированных моно и дикатионных ПАВ с их антимикробной активностью. Показано, что длина гидрофобного радикала является основным структурным фактором, влияющим на эффективность исследуемых соединений, тогда как число метиленовых звеньев в гидрофобном фрагменте оказывает существенно меньшее влияние. Соединениями – лидерами явились децильные производные, которые обладают широким спектром антимикробной активности на уровне известных лекарственных препаратов, а на некоторых штаммах даже превосходят его. Несколько меньшей активностью характеризуются додецильные производные. Соединения m-s-m (Im), для которых m = 8 или 14 проявляют существенно меньшую активность, а их аналоги с гексадецильным радикалом совсем не обладали антибактериальной и противогрибковой активностью в отношении всего ряда тест-микроорганизмов. Следует отметить, что для дикатионных ПАВ с тетрадецильными радикалами наблюдалась зависимость антимикробной активности от длины спейсерного фрагмента, при увеличении длины которого до 3 и 4 метиленовых групп соединения утрачивали антимикробную активность.

В отличие от дикатионных ПАВ ни один из их монокатионных аналогов не характеризуются столь высокой активностью. Антимикробное действие соединений серии Im-n (рис.1) возрастает по мере увеличения их липофильности и в зависимости от тестируемого объекта достигает максимума для производных с тетра- или гексадецильными радикалами.

В ряду дикатионных ПАВ антимикробная активность достигает максимального значения для соединений с децильным и додецильным радикалом. Причем соединения с децильным радикалом проявили более высокую активность, чем с додецильными в отношении всех бактериальных штаммов включая метициллин-резистентные штаммы Staphylococcus aureus (MRSA) и дрожжеподобного гриба Candida albicans. В тоже время, уменьшение длины алкильного радикала до октильного и увеличение до тетро и гексодецильного привело к значительному снижению антимикробных свойств.

 В отличие от дикатионных ПАВ ни один из их монокатионных аналогов не характеризуются столь высокой активностью. Антимикробное действие соединений серии монокатионных имидазолиевых ПАВ возрастает по мере увеличения их липофильности и в зависимости от тестируемого объекта достигает максимума для производных с тетра- или гексадецильными радикалами. Монокатионные ПАВ с октильными, тетрадецильными и гексадецильными радикалами в отношении грибных патогенов оказались неактивны.

Механизм антимикробной активности веществ, показавших наилучший результат, определяли по изменению поглощения цитоплазматической мембраной красителя кристаллического фиолетового (CV), который плохо проникает в мембрану жизнеспособных клеток, но легко проходит при ее повреждении. Способность поглощать краситель из среды — важный маркер состояния цитоплазматической мембраны. Клеточная стенка и цитоплазматическая мембрана бактерий являются мишенью для многих антимикробных агентов, в том числе и для ПАВ. Для катионных ПАВ мишенями на поверхности бактериальной клетки являются карбоксильные группы аминокислот и кислых полисахаридов бактерий. Известно, что химические вещества могут влиять на микроорганизмы специфически и неспецифически. Специфический механизм проявляется при очень низких концентрациях антимикробного соединения, которое может реагировать с определенными компонентами клетки, нарушая их нормальное функционирование. Неспецифическое действие на клетку обычно проявляется при достаточно высоких концентрациях веществ. Оно может быть связано с неблагоприятным для микроорганизма изменением поверхностного натяжения, рН, с установлением высокого осмотического давления и т.д.

 Исследования проводились в диапазоне концентраций, который включал минимальные ингибирующие (МИК) и минимальные бактерицидные (МБК) концентрации соединений 8-3-8 (Im), 10-3-10 (Im), 12-3-12 (Im) и 14-3-14 (Im). Соединение 8-3-8 (Im) обладает очень слабым мембранотропным действием. Даже в самой высокой концентрации (300 мкМ), превосходящей его МБК (55.6 мкМ) величина поглощения CV составляет всего 16%. Обработка клеток S. aureus соединениями-лидерами (10-3-10 (Im) и 12-3-12 (Im)) в диапазоне их МИК и МБК (0.8-11 мкМ) практически не приводит к нарушению мембранной проницаемости. Поглощение СV не превышает 5%. Увеличение липофильности радикала в молекуле геминальных ПАВ до тетрадецильного привело к усилению мембранотропных свойств. Было показано, что соединение 14-3-14 (Im) диапазоне МБК (150-300 мкМ) оказывало значительное воздействие на проницаемость мембраны S. aureus, увеличивая поглощение CV до 63-76%.

Полученные результаты позволяют предположить, что антимикробное действие соединений с октильным, децильным и додецильным радикалом связано  прежде всего с их специфическим  влиянием на микроорганизмы.  Концентрации, соответствующие МИК и МБК этих соединений существенно ниже тех, которые соответствуют нарушению целостности цитоплазматической мембран, что позволяет предположить, что ПАВ  взаимодействуют с определенными компонентами клетки, препятствуя их нормальному функционированию. Причем присутствие в молекуле ПАВ именно децильного радикала приводит к самым выдающимся результатам, а именно соединения действуют бактерицидно в очень малых концентрациях против чувствительных и резистентных штаммов S. aureus. При увеличении длины липофильного радикала до тетрадецильного в бактерицидной концентрации исследуемые геминальные ПАВ вероятно утрачивают способность к специфическому связыванию с поверхностью бактериальной клетки.

Дикатионные ПАВ проявили умеренную гемолитическую и цитотоксическую активность. Гемолитические и цитотоксические свойства несколько возрастают у геминальных ПАВ серии 12-m-12 (Im). Однако все протестированные соединения обладают более низкой токсичностью в отношении эритроцитов и гепатоцитов человека по сравнению с классическим катионным ПАВ (CTAB).

В отличие от геминальных ПАВ монокатионные аналоги показывают высокую цитотоксическую токсичность в отношении клеточной линии гепатоцитов человека Chang liver, за исключением Im-10. Гемолитическое и цитотоксическое действие соединений серии монокатионных имидазолиевых ПАВ возрастает по мере роста углеродной цепи и максимум достигается для гекса- или октодецильных соединений.

Дикатионные ПАВ с децильным радикалом обладают наиболее высокими значениями SI, что доказывает их безопасность в отношении гепатоцитов и эритроцитов человека.

Таким образом, в данной работе были исследованы антимикробные и цитотоксические свойства дикатионных алкилимидазолиевых ПАВ серии m-s-m (Im) с переменной длиной гидрофобной группы (m = 8, 10, 12, 14, 16) и спейсерного фрагмента (s = 2, 3, 4), а также их монокатионных аналогов. Подробно охарактеризована связь между биологической активностью и структурными особенностями этих соединений. Для соединений –лидеров серии дикатионных имидазолиевых ПАВ изучен механизм мембранотропного действия.

Полученные результаты позволяют рассматривать протестированные соединения в качестве основы для направленного дизайна биоактивных поверхностно-активных соединений, используемых в разработке новых потенциальных антимикробных агентов.

3. Публикации по теме научно-квалификационной работы (за все время обучения, включая тезисы докладов):

 

№ п/п	Библиографическое описание	Название издания (отметить издания из перечня ВАК)
1	Voloshina, A. D., Gumerova, S. K., Sapunova, А. S., Kulik, N. V., Mirgorodskaya, A. B., Kotenko, A. A., Tatiana M. Prokopyeva, Vasilii A. Mikhailov, Lucia Ya Zakharova Sinyashin, O. G. The structure–Activity correlation in the family of dicationic imidazolium surfactants: Antimicrobial properties and cytotoxic effect //Biochimica et Biophysica Acta (BBA)-General Subjects. – 2020. – С. 129728.	входит в перечень ВАК
2	Гумерова С.К., Волошина А.Д., Сапунова А.С., Миргородская А.Б., Котенко А.А., Прокопьева Т.М., Михайлов В.А. Антимикробные и токсические свойства дикатионных алкилимидазолиевых ПАВ с варьируемой длиной спейсерного фрагмента. // Школа-конференция для молодых ученых «Супрамолекулярные стратегии в химии, биологии и медицине: фундаментальные проблемы и перспективы» (с международным участием) 7-10 октября 2019 г. (стендовый). (Работа выполнена при финансовой поддержке РНФ № 19-73-30012)
3	Гумерова С.К., Волошина. А.Д, Сапунова А.С., Миргородская А.Б., Котенко А.А, Прокопьева Т.М., Михайлов В.А. Изучение механизмов апопотоза дикатионных ПАВ, содержащих имидазолиевый фрагмент / Материалы 2-ой Всероссийской школы-конференции молодых ученых «Биохимия – основа наук о Жизни» 7-9 ноября 2019 г. (стендовый). (Работа выполнена при финансовой поддержке РНФ № 19-73-30012)
4	Гумерова С.К., Волошина А.Д., Сапунова А.С., Миргородская А.Б., Ленина О.А.,Котенко А.А., Прокопьева Т.М., Михайлов В.А., Захарова Л.Я. Антимикробные и цитотоксические свойства дикатионных имидазолиевых поверхностно-активных веществ. // II Школа-конференция для молодых ученых «Супрамолекулярные стратегии в химии, биологии и медицине: фундаментальные проблемы и перспективы» (с международным участием) 19-21 октября 2020 г. (устный). (Работа выполнена при финансовой поддержке РНФ № 19-73-30012)

 

4. Апробация результатов научно-квалификационной работы (за все время обучения):

 

№ п/п	Название конференции	Тип доклада
1	«Супрамолекулярные стратегии в химии, биологии и медицине: фундаментальные проблемы и перспективы» (с международным участием),2019 г.	постерное выступление
2	«Биохимия – основа наук о Жизни»,2019г.	постерное выступление
3	II Школа-конференция для молодых ученых «Супрамолекулярные стратегии в химии, биологии и медицине: фундаментальные проблемы и перспективы» (с международным участием),2020 г.	устное выступление

 

5. Иные достижения аспиранта:

(участие в конкурсах, грантах, полученные премии, дипломы, именные стипендии и т.п. (указать, где получено и за что), стажировки)

Работа выполняется при финансовой поддержке гранта РНФ № 19-73-30012

 

Подпись аспиранта

 

Подпись научного руководителя