Изучение молекулярных механизмов взаимодействия и биологической активности наноструктур и наноматериалов в отношении объектов живой природы необходимо для оценки биомедицинских нанорисков, нанорисков для окружающей природной среды, а также решения задач бионаноконструирования. При этом белки являются важнейшим объектом и компонентом в подобных исследованиях. Для этих целей из всего многообразия белков именно сывороточные альбумины (СА) используются наиболее часто. К примеру, их применяют в качестве сенсоров конформационных и фазовых изменений при взаимодействии биомолекул с наночастицами (НЧ) различной природы при образовании белковой короны, для покрытия поверхностей, как биосурфактанты, для функционализации бионаноконьюгатов, индукции и ингибирования процессов фибриллообразования. Такой спектр возможного применения альбумина обусловлен как доступностью и дешевизной СА, так и относительной полнотой знаний их конформационного состояния, межмолекулярного взаимодействия и фазового поведения в дисперсиях с различным микроокружением. Это позволяет ему быть идеальным объектом в вопросах изучения влияния белков на коллоидную стабильность наночастиц в дисперсии, их фазовые, окислительно-восстановительные и транспортные свойства.

Именно совокупность вышеперечисленных свойств позволило нам успешно исследовать молекулярные механизмы биологической активности наноматериалов природного происхождения - абиогенных наночастиц шунгитового углерода [1-3]. Наночастицы шунгитового углерода (ШУ), полученные методом зеленой химии из шунгитовой горной породы и стабилизированные в водной дисперсии, получили экспериментальное и теоретическое свидетельство о своей графеновой природе.

Изучение биологической активности наноуглерода шунгита на молекулярном уровне показало, что ШУ воздействует на связывание лигандов (жирных кислот) с СА, его конформацию и агрегацию через перенос части лиганда с белка на наночастицы. При взаимодействии с ШУ соотношение фракций СА в дисперсии меняется в пользу той, что содержит меньше лиганда. При этом устойчивость агрегатов СА, содержащих физиологическое количество лиганда, повышена по сравнению с белком без лиганда. Также наблюдается увеличение однородности распределения по размеру агрегатов молекул, микроокружения и центров связывания лигандов.

Показано, что шунгитовый наноуглерод выступает как агент, способный влиять на степень окисления белков крови как непосредственно повышая степень окисления (железо гема гемоглобина), так и снижая степень свободнорадикального окисления (цис-34 сывороточного альбумина). Взаимодействие и образование комплексов наночастиц с белком (белковая корона), с существенным изменением конформационного состояние белка или без такового, приводит к уменьшению сродства к нему физиологических лигандов (жирных кислот к альбумину, кислорода к гемоглобину). При этом акцептором лигандов и электронов может являться сам шунгитовый наноуглерод в водной дисперсии, что характеризует его роль в регуляции процессов окисления и переноса лигандов в системах с участием белков и гемосовместимость в целом.

Один из механизмов биоактивности НЧ ШУ связан с воздействием НЧ на фазовые превращения в белковых системах, сопряженные с формированием белковых комплексов и ассоциатов как предзародышевых аморфных кластеров промежуточной (скрытой) фазы. При этом в таких казалось бы совершенно различных системах, как дисперсии наночастиц углерода и СА наблюдается в целом однотипное поведение сетки водородных связей с изменением концентрации компонентов. Возникающие при этом первичные ассоциаты имеют в среднем близкий размер и не изменяются с ростом концентрации компонента. Это может говорить о том, что сначала молекулами белка или базовыми элементами ШУ заполняются первичные дефекты сетки водородных связей, но затем формируются более крупные дефекты, способные принять более крупные ассоциаты. В дисперсии белка коллоидная устойчивость к разделению фаз поддерживается за счет образования белковых ассоциатов-кластеров двух основных типов и размеров как кластеров скрытой фазы. В присутствии НЧ коллоидная устойчивость дисперсии обеспечивается почти исключительно за счет ассоциации белка с НЧ с образованием белковой короны. Такой подход может быть использован для описания коллоидных свойств и устойчивого поведения дисперсий частиц как биогенной, так и абиогенной природы.



Финансовое обеспечение исследований осуществлялось из средств федерального бюджета на выполнение государственного задания КарНЦ РАН (FMEN-2022-0006).



1. Goryunov А.S., Rozhkov S.P., and Rozhkova N.N., Eur. Biophys. J., 49, 85 (2020)

2. Goryunov А.S., Borisova А.G., Rozhkov S.S. and Rozhkova N.N. Current Nanoscience, 19, 68 (2023)

3. Рожков С.П., Горюнов А.С., Колодей В.А., Пронькина Л.А., Рожкова Н.Н. Биофизика, 67, 1093 (2022)

The purposes of bionanodesign and biomedicine as well as assessing environmental nanorisks requires further understanding of the molecular mechanisms of biological activity of nanostructures and nanomaterials. Proteins are the most important object and component in such studies. Serum albumins (SA) for many reasons are among the most convenient models to this end as they are often used as sensors for conformational and phase changes during the interaction of biomolecules with nanoparticles (NPs) of various nature and the formation of protein corona, as surface coatings and biosurfactants, for the functionalization of bionanoconjugates, induction and inhibition in fibril formation. SA owes its wide variety of applications to its commercial and preparative availability as well as to a fairly complete picture of its properties including protein conformational state, intermolecular interaction, and phase behavior in dispersions with different microenvironments. This makes SA an ideal object for studying the effect of proteins on the colloidal stability of nanoparticles in dispersion, their phase, redox, and drug delivery properties.

The combination of the above properties of SA allowed us to advance our study of the molecular mechanisms of the biological activity of nanomaterials of natural origin - abiogenic shungite carbon nanoparticles [1-3]. Shungite carbon NPs (ShC NPs), obtained by green chemistry from shungite rock and stabilized in aqueous dispersion, received experimental and theoretical evidence of their graphene nature.

The study of the biological activity of ShC NPs at the molecular level showed that ShC affects the binding of ligands (fatty acids) to serum albumin, its conformation and aggregation through the transfer of a part of the ligand from protein to nanoparticles. When interacting with ShC, the ratio of SA fractions in the dispersion changes toward the fraction with the low ligand content. At the same time, the stability of SA aggregates containing a physiological amount of the ligand is increased compared to the protein without the ligand. An increase in the uniformity of the size distribution of molecular aggregates, microenvironment, and ligand binding sites is also observed.

Shungite nanocarbon has been shown to affect the degree of oxidation of blood proteins both by direct increase of the degree of oxidation (heme iron of hemoglobin) and by reducing the degree of free radical oxidation (cys-34 of serum albumin). The interaction of nanoparticles with a protein and formation of their complexes and protein corona may result in a significant change in the conformational state of the protein. This can also leads to a decrease in their affinity to physiological ligands (fatty acids for albumin, oxygen for hemoglobin). The ShC NPs in an aqueous dispersion can function as an acceptor of ligands and electrons. This characterizes its role in the regulation of the processes of oxidation and transfer of ligands in systems involving proteins aы well as its hemocompatibility in general.

One of the mechanisms of ShC NPs bioactivity is conditioned by the effect of NPs on phase transformations in protein systems connected with the formation of protein complexes and associates as pre-nuclear amorphous clusters of an intermediate (hidden) phase. Our data of Raman spectroscopy in the range 3200-3600 cm-1 show that hydrogen bond network reacts in a similar manner - initial hardening and further loosening – on the variations in the concentration of components in dispersions of carbon nanoparticles and protein macromolecules despite the obvious differences in these systems. The primary associates that arise in this case are typically close in size and do not change with varying the concentration of components. This suggests that primary defects in the hydrogen bond network are filled first, but then larger defects are formed that can contain larger associates, and the system of hydrogen bonds is loosened. Colloidal stability to phase separation in protein dispersion is maintained by the formation of protein associates (clusters) of two main types and sizes as latent phase clusters. In presence of ShC NPs, colloidal stability of the dispersion is provided almost exclusively by NPs-protein association with the formation of protein corona. Our approach can describe the colloidal properties and stable behavior of particle dispersions of both biogenic and abiogenic nature.



The study was carried out under state order (project FMEN-2022-0006).



1. Goryunov А.S., Rozhkov S.P., and Rozhkova N.N. Eur. Biophys. J., 49, 85 (2020)

2. Goryunov А.S., Borisova А.G., Rozhkov S.S., and Rozhkova N.N. Current Nanoscience, 19, 68 (2023)

3. Rozhkov S.P., Goryunov А.S., Kolodey V.A., Pron’kina L.A., and Rozhkova N.N. Biophysics, 67, 884 (2022)