RU2522833C2 - Method of obtaining nanostructured material based on recombinant archea flagella - Google Patents

Method of obtaining nanostructured material based on recombinant archea flagella Download PDF

Info

Publication number
RU2522833C2
RU2522833C2 RU2009114562/10A RU2009114562A RU2522833C2 RU 2522833 C2 RU2522833 C2 RU 2522833C2 RU 2009114562/10 A RU2009114562/10 A RU 2009114562/10A RU 2009114562 A RU2009114562 A RU 2009114562A RU 2522833 C2 RU2522833 C2 RU 2522833C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
flagella
flagellin
peptide
nanoparticles
seq
Prior art date
Application number
RU2009114562/10A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2009114562A (en
Inventor
Олег Васильевич Федоров
Сергей Николаевич Безносов
Михаил Геннадиевич Пятибратов
Original Assignee
Учреждение Российской академии наук, Институт белка РАН
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Учреждение Российской академии наук, Институт белка РАН filed Critical Учреждение Российской академии наук, Институт белка РАН
Priority to RU2009114562/10A priority Critical patent/RU2522833C2/en
Priority to PCT/RU2010/000185 priority patent/WO2010123406A2/en
Publication of RU2009114562A publication Critical patent/RU2009114562A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2522833C2 publication Critical patent/RU2522833C2/en

Links

Images

Abstract

FIELD: chemistry.
SUBSTANCE: invention relates to the field of biotechnology and can be used for obtaining a nanostructured material based on recombinant flagella of archea H. salinarum, bound with metal ions or nanoparticles. Transformed with a recombinant plasmid cells of archea are grown, flagella, containing peptide inserts for binding with metal ions or nanoparticles, are separated. The surface of flagella is modified by binding peptide inserts with the said ions or nanoparticles with further washing, drying and packaging of the obtained material. The plasmid construction contains recombinant genes for synthesis of A1 and A2 flagella-forming flagellins. A sequence of flagellin A1 and/or flagellin A2 contains a peptide insert for selective binding metal ions or nanoparticles, where the location of the peptide insert is determined in the region between the first and second sites of glycosylation, located in flagellin A1 between position 86 and position 96 SEQ ID NO: 2, and in flagllin A2 between position 82 and position 92 SEQ ID NO: 3.
EFFECT: invention makes it possible to obtain the nanostructured material with improved adhesive properties, resistant with respect to impact of high temperatures.
10 cl, 7 dwg, 7 ex

Description

Область техникиTechnical field

Изобретение относится к области биотехнологии, генной и белковой инженерии, к нанотехнолическим применениям с использованием жгутиков архей и может быть использовано в построении устройств для диагностики, элементов аккумуляторов, в медицине и в фармацевтической промышленности.The invention relates to the field of biotechnology, genetic and protein engineering, to nanotechnological applications using archaea flagella and can be used in the construction of diagnostic devices, battery cells, in medicine and in the pharmaceutical industry.

Уровень техникиState of the art

В настоящее время большие усилия направлены на поиск новых наноматериалов, которые могут быть полезны при разработках широкого спектра устройств, активность работы которых зависит от площади контакта активных зон размещенных на поверхности устройств.Currently, great efforts are aimed at finding new nanomaterials that can be useful in developing a wide range of devices, the activity of which depends on the contact area of the active zones located on the surface of the devices.

К таким устройствам можно отнести сенсорные датчики [1], компоненты для создания элементов электроники, аккумуляторов, дисплеев [2], покрытие биологических и медицинских устройств, требующих отсутствия агрессивных химических компонентов [3], к таким средствам можно также отнести компоненты покрытий или композиций в составе фармакологических препаратов [4].Such devices include sensory sensors [1], components for creating elements of electronics, batteries, displays [2], coating of biological and medical devices requiring the absence of aggressive chemical components [3], such components can also include coating or composition components in the composition of pharmacological preparations [4].

Известны изобретения, в которых в качестве элементов покрытий используют биологические материалы, созданные на основе пептидов [4] или вирусов [2, 5-9]. С целью формирования развитой поверхностной структуры используют вирусы, на поверхности которых иммобилизуют как частицы неорганических веществ, так и ионы металлов [5-10]. В практике создания поверхностей с развитой поверхностной структурой особое внимание уделяется вариантам, которые включают белковые структуры, включающие аминокислоты, способные нековалентно связывать ионы металлов [5-16].Known inventions in which biological coating materials based on peptides [4] or viruses [2, 5-9] are used as coating elements. In order to form a developed surface structure, viruses are used, on the surface of which both particles of inorganic substances and metal ions are immobilized [5-10]. In the practice of creating surfaces with a developed surface structure, special attention is paid to options that include protein structures, including amino acids that can non-covalently bind metal ions [5-16].

Для того чтобы наноструктурированное покрытие удерживалось на поверхности разрабатываемых устройств, используют клеевые соединения [3]. Однако введение клеевых соединений не всегда возможно особенно в медико-биологических применениях. Поэтому наиболее оптимально использовать материалы, которые сами обладают адгезивными свойствами. Выбор биологических материалов для создания наноструктур с развитой поверхностью, обеспечивающих работу и сохранение биологически активных зон, является непростой задачей.In order for the nanostructured coating to be held on the surface of the developed devices, adhesive compounds are used [3]. However, the introduction of adhesive compounds is not always possible, especially in biomedical applications. Therefore, it is most optimal to use materials that themselves have adhesive properties. The choice of biological materials for creating nanostructures with a developed surface, ensuring the operation and preservation of biologically active zones, is not an easy task.

Известны изобретения, в которых для создания развитых поверхностей используются наноматериалы, выполненные на основе вируса М13 [5-10]. Однако вирусные структуры не сохраняют свои свойства в растворах с высокой температурой [5-10].Known inventions in which to create developed surfaces using nanomaterials made on the basis of the M13 virus [5-10]. However, viral structures do not retain their properties in solutions with high temperature [5-10].

Известно, что жгутики архей сохраняют свою структуру при высоких температурах [17]. Кроме того, известно, что материалы, выполненные на основе жгутиков, обладают достаточными адгезивными свойствами и могут быть использованы для создания молекулярных клеев. В изобретении [3] рассматриваются вопросы получения клеевых материалов, содержащих, по меньшей мере, один белок, полученный из флагеллинов архей. В заявке показано, что флагеллины архей хорошо прилипают не только к органическим материалам, например к клеточной стенке, но также и к поверхностям, выполненным из неорганических материалов, таких как металлы, пластмассы и кварц. В изобретении указано, что не все флагеллины обладают такой возможностью, так, для H.Salinarum в качестве перечисленных в заявке флагеллинов фигурируют только FlaB1 и FlaB2, которые являются не основными белками жгутика, а выполняют связующую роль между клеточным мотором и протяженной спиральной нитью жгутика, состоящей из А-флагеллинов [17]. Основанием для такого интереса служат научная информация о адгезивной роли некоторых флагеллинов в составе жгутика и последовавший за этим поиск гомологичных последовательностей флагеллинов среди всех архей с известными геномными последовательностями. В качестве основного материала молекулярного клея авторы используют отдельные белки флагеллинов, из которых формируют материал клея. В заявке на изобретение уделяется большое внимание методам выделения целевых флагеллинов из жгутиков, что предполагает необратимое разделение жгутиков на компоненты и разрушение их структуры.It is known that the flagella of archaea retain their structure at high temperatures [17]. In addition, it is known that materials made on the basis of flagella have sufficient adhesive properties and can be used to create molecular adhesives. In the invention [3], issues of obtaining adhesive materials containing at least one protein obtained from archaeal flagellins are considered. The application shows that archaeal flagellins adhere well not only to organic materials, such as the cell wall, but also to surfaces made from inorganic materials such as metals, plastics, and quartz. The invention indicates that not all flagellins have this possibility, so for H. Salinarum, only FlaB1 and FlaB2 are listed as flagellins in the application, which are not the main proteins of the flagellum, but play the connecting role between the cellular motor and the long spiral filament of the flagellum, consisting of A-flagellins [17]. The reason for this interest is scientific information on the adhesive role of some flagellins in the flagellum and the subsequent search for homologous flagellin sequences among all archaea with known genomic sequences. As the main material of molecular glue, the authors use individual flagellin proteins, from which the glue material is formed. The application for the invention pays great attention to methods for isolating target flagellins from flagella, which implies the irreversible separation of flagella into components and the destruction of their structure.

Однако в данном изобретении [3] не раскрыт механизм высокой адгезии флагеллинов к широкому классу неорганических веществ и не раскрыты места на поверхности флагеллинов, которые выполняют роль молекулярного клея. В то же время авторы полагают, что в структурах рассматриваемых флагеллинов могут быть введены замены до 60 аминокислот, причем место и состав замен и вставок, не указаны ни для одного типа флагеллина. Для выяснения возможности таких замен требуется проведение дополнительных исследований свойств флагеллинов, полученных генно-инженерным способом. Указанное изобретение не подтверждает возможность и эффективность применения генно-инженерных флагеллинов для эффективной нековалентной связи на его поверхности ионов металлов.However, in this invention [3], the mechanism of high adhesion of flagellins to a wide class of inorganic substances is not disclosed, and places on the surface of flagellins that play the role of molecular glue are not disclosed. At the same time, the authors believe that substitutions of up to 60 amino acids can be introduced in the structures of the flagellins under consideration, and the place and composition of substitutions and insertions are not indicated for any type of flagellin. To clarify the possibility of such substitutions, additional studies of the properties of flagellins obtained by genetic engineering method are required. The specified invention does not confirm the possibility and effectiveness of the use of genetically engineered flagellins for effective non-covalent bonding of metal ions on its surface.

Целью настоящего изобретения является расширение типов покрытий с развитой поверхностной структурой на основе наноматериалов, на основе которых можно обеспечить нековалентное связывание ионов металлов, наночастиц металлов, полупроводников, с целью формирования поверхности сенсоров, пластин аккумуляторов, нетканых материалов с новыми свойствами.The aim of the present invention is to expand the types of coatings with a developed surface structure based on nanomaterials, on the basis of which it is possible to provide non-covalent bonding of metal ions, metal nanoparticles, semiconductors, with the aim of forming the surface of sensors, battery plates, non-woven materials with new properties.

Другая цель изобретения состоит в получении технического результата, предотвращающего воздействие высоких температур на сохранность поверхностной структуры наноматериала и его адгезивных свойств.Another objective of the invention is to obtain a technical result that prevents the influence of high temperatures on the safety of the surface structure of the nanomaterial and its adhesive properties.

Следующей целью изобретения является повышение эффективности связывания ионов металлов, наночастиц металлов, полупроводников по сравнению с материалами, полученными из архей дикого типа.The next objective of the invention is to increase the binding efficiency of metal ions, metal nanoparticles, semiconductors compared with materials obtained from wild-type archaea.

Указанные технические результаты обеспечиваются за счет использования в качестве наноматериала рекомбинантных жгутиков флагеллина, причем, по меньшей мере, в один белок флагеллина вводят, по меньшей мере, одну пептидную вставку, аминокислотный состав которой позволяет обеспечить эффективную нековалентную связь с соответствующим, по меньшей мере, одним типом иона металла, наночастицы металла, полупроводника.These technical results are ensured by the use of recombinant flagellin flagella as nanomaterials, wherein at least one peptide insert is introduced into at least one flagellin protein, the amino acid composition of which allows an effective non-covalent bond with the corresponding at least one type of metal ion, metal nanoparticles, semiconductor.

Сущность изобретенияSUMMARY OF THE INVENTION

Объектами изобретения являются рекомбинантные белки флагеллина А1 и флагеллина А2, используемые для формирования разных типов жгутиков археи Halobacterium salinarum с повышенной активностью связывания ионов металлов, наночастиц металлов, полупроводников, по сравнению с их аналогами дикого типа. Для повышения активности связывания ионов металлов, наночастиц металлов, полупроводников в последовательность флагеллинов дикого типа A1 (SEQ ID NO: 2) и A2 (SEQ ID NO: 3) включают, по меньшей мере, одну пептидную вставку в область между первым и вторым сайтом гликозилирования. Данные области включают последовательность SEQ ID NO: 6 флагеллина А1 и последовательность SEQ ID NO:7 флагеллина А2.Objects of the invention are recombinant proteins of flagellin A1 and flagellin A2, used to form different types of flagella of the archaea Halobacterium salinarum with increased activity of binding of metal ions, metal nanoparticles, semiconductors, compared with their wild-type counterparts. To increase the binding activity of metal ions, metal nanoparticles, semiconductors, at least one peptide insert in the region between the first and second glycosylation sites is included in the wild-type flagellin sequence A1 (SEQ ID NO: 2) and A2 (SEQ ID NO: 3) . These regions include the sequence SEQ ID NO: 6 of flagellin A1 and the sequence of SEQ ID NO: 7 of flagellin A2.

Другими объектами изобретения являются последовательности пептидной вставки, которая может содержать одиночную последовательность длиной от 6 до 60 аминокислот, или вставка содержит короткие последовательно соединенные друг с другом последовательности с общей длиной вставки до 60 аминокислот, при этом количество коротких последовательностей лежит в пределах от 2 до 10.Other objects of the invention are peptide insert sequences, which may contain a single sequence of 6 to 60 amino acids in length, or the insert contains short sequentially linked sequences with a total insert length of up to 60 amino acids, with the number of short sequences ranging from 2 to 10 .

Последовательность пептидной вставки выбирают таким образом, чтобы она нековалентно связывала ионы металлов, выбираемых из группы, в которую входят: кобальт, ванадий, никель, марганец, железо, кадмий, вольфрам, хром, цирконий, титан, скандий, иттрий, медь, кальций, алюминий, барий, бериллий, магний и стронций, и/или наночастицы металлов, выбираемых из группы, состоящей из золота, платины, серебра, палладия, или наночастицы, обладающие полупроводниковыми свойствами: например ZnS, CdS, а также наночастицы, обладающие магнитными свойствами, например FePt, CoPt.The sequence of the peptide insert is chosen so that it non-covalently binds metal ions selected from the group consisting of: cobalt, vanadium, nickel, manganese, iron, cadmium, tungsten, chromium, zirconium, titanium, scandium, yttrium, copper, calcium, aluminum, barium, beryllium, magnesium and strontium, and / or metal nanoparticles selected from the group consisting of gold, platinum, silver, palladium, or nanoparticles having semiconductor properties: for example ZnS, CdS, as well as nanoparticles having magnetic properties, eg FePt, CoPt.

Следующими объектами изобретения являются плазмидные ДНК на основе плазмиды pNXA для экспрессии разных типов рекомбинантных жгутиков археи Н.Salinarum с повышенной эффективностью связывания ионов металлов, наночастиц металлов, полупроводников, по сравнению с их аналогами дикого типа. В состав плазмид входят А-флагеллиновый оперон Н.Salinarum, содержащий последовательно размещенные области А1 и А2 генов флагеллина по сайтам клонирования XbaI и HindIII, ген устойчивости к ампициллину AmpR, ген устойчивости к новобиоцину NovR, ген галофильной b-галактозидазы bgaH. При этом в зависимости от типа рекомбинантного жгутика плазмиды кодируют: а) рекомбинантный белок флагеллина А1 с пептидной вставкой и рекомбинантный белок, кодирующий флагеллин А2 дикого типа (SEQ ID NO: 3), б) рекомбинантный белок флагеллина А2 с пептидной вставкой и рекомбинантный белок, кодирующий флагеллин А1 дикого типа (SEQ ID NO: 2), в) рекомбинантный белок флагеллина А1 с пептидной вставкой и рекомбинантный белок флагеллина А2 с пептидной вставкой.The following objects of the invention are plasmid DNA based on pNXA plasmid for expression of different types of recombinant flagella of the archaea N. Salinarum with increased efficiency of binding of metal ions, metal nanoparticles, semiconductors, compared with their wild-type analogues. The composition of the plasmids includes H. Salinarum A-flagellin operon, which contains successively placed regions A1 and A2 of flagellin genes at the XbaI and HindIII cloning sites, the ampicillin resistance gene AmpR, the Novobiocin resistance gene NovR, and the halophilic b-galactosidase bgaH gene. Depending on the type of recombinant flagellum, plasmids encode: a) a recombinant flagellin A1 protein with a peptide insert and a recombinant protein encoding wild-type flagellin A2 (SEQ ID NO: 3), b) a recombinant flagellin A2 protein with a peptide insert and a recombinant protein, wild-type encoding flagellin A1 (SEQ ID NO: 2), c) a recombinant flagellin A1 protein with a peptide insert and a recombinant flagellin A2 protein with a peptide insert.

Следующими вариантами объектов изобретения являются штаммы на основе Н.Salinarum R1 в качестве продуцентов разных типов рекомбинантных жгутиков археи, содержащих устойчивость к антибиотикам: клетки, полученных путем трансформации клеток Н.Salinarum R1 рекомбинантными плазмидами ДНК pNX, кодирующими а) рекомбинантный белок флагеллина А1 с пептидной вставкой и рекомбинантный белок, кодирующий флагеллин А2 дикого типа (SEQ ID NO: 3), б) рекомбинантный белок флагеллина А2 с пептидной вставкой и рекомбинантный белок, кодирующий флагеллин А1 дикого типа (SEQ ID NO: 2), в) рекомбинантный белок флагеллина А1 с пептидной вставкой и рекомбинантный белок флагеллина А2 с пептидной вставкой.The following variants of objects of the invention are strains based on H. Salinarum R1 as producers of different types of recombinant archaea flagella containing antibiotic resistance: cells obtained by transforming H. Salinarum R1 cells with recombinant pNX DNA plasmids encoding a) a recombinant flagellin A1 protein with a peptide insert and a recombinant protein encoding wild-type flagellin A2 (SEQ ID NO: 3), b) a recombinant flagellin A2 protein with a peptide insert and a recombinant protein encoding wild-type flagellin A1 (SEQ ID NO: 2 ), c) a recombinant flagellin A1 protein with a peptide insert and a recombinant flagellin A2 protein with a peptide insert.

Следующими вариантами объектов изобретения являются способы получения наноструктурированного материала на основе рекомбинантных жгутиков археи. Указанные способы обеспечивают следующие этапы: а) синтез рекомбинантных жгутиков архей путем культивирования штамма-продуцента, б) выделение жгутиков архей, содержащих пептидные вставки для нековалентного связывания, в) модификацию поверхности жгутиков посредством связывания пептидных вставок с ионами металлов, наночастицами металлов или полупроводников, г) оксидирование ионов металлов, д) промывку, сушку и упаковку полученного наноструктурированного материала.The following variants of objects of the invention are methods for producing nanostructured material based on recombinant archaea flagella. These methods provide the following steps: a) synthesis of recombinant archaea flagella by culturing a producer strain, b) isolation of archaea flagella containing peptide inserts for non-covalent binding, c) surface modification of flagella by binding of peptide inserts to metal ions, metal or semiconductor nanoparticles, g ) oxidation of metal ions; e) washing, drying and packaging of the obtained nanostructured material.

Следующими вариантами объектов изобретения являются композиции из наноструктурированного материала на основе жгутиков архей, которые выполнены в виде раствора или лиофилизированной формы и включают в свой состав, по меньшей мере, один тип рекомбинантного жгутика, состоящего из а) рекомбинантного белка флагеллина А1 с пептидной вставкой и рекомбинантного белка, кодирующего флагеллин А2 дикого типа (SEQ ID NO: 3), б) рекомбинантного белка флагеллина А2 с пептидной вставкой и рекомбинантного белка, кодирующего флагеллин А1 дикого типа (SEQ ID NO: 2), в) рекомбинантного белка флагеллина А1 с пептидной вставкой и рекомбинантного белка флагеллина А2 с пептидной вставкой. При этом поверхности рекомбинантных жгутиков модифицированы и композиции дополнительно содержат приемлемые добавки для формирования покровного материала. При этом композиция выполнена в виде раствора или лиофилизированной формы и включает приемлемые добавки для формирования покровного материала.The following variants of objects of the invention are compositions of a nanostructured material based on archaea flagella, which are made in the form of a solution or lyophilized form and include at least one type of recombinant flagellum, consisting of a) a recombinant flagellin A1 protein with a peptide insert and a recombinant a protein encoding wild-type flagellin A2 (SEQ ID NO: 3), b) a recombinant flagellin A2 protein with a peptide insert and a recombinant protein encoding wild-type flagellin A1 (SEQ ID NO: 2), c) recombinant flagellin A1 protein with a peptide insert; and recombinant flagellin A2 protein with a peptide insert. At the same time, the surfaces of the recombinant flagella are modified and the compositions additionally contain acceptable additives for forming the coating material. Moreover, the composition is made in the form of a solution or lyophilized form and includes acceptable additives for forming the coating material.

Следующими вариантами объектов изобретения являются покровные материалы для формирования наноструктурированного покрытия пластин, пленок, капсул, текстильного материала, содержащие, по меньшей мере, одну композицию, включающую, по меньшей мере, один тип модифицированного рекомбинантного жгутика, и распределенные, по меньшей мере, на части покровного материала.The following variants of objects of the invention are coating materials for forming a nanostructured coating of plates, films, capsules, textile material containing at least one composition comprising at least one type of modified recombinant flagellum and distributed at least in part integumentary material.

Следующими вариантами объектов изобретения являются наборы для формирования изделий из жгутиков архей, содержащие, по меньшей мере, контейнер, композицию рекомбинантных жгутиков архей и упаковочный материал.The following variants of objects of the invention are kits for forming articles from archaea flagella, containing at least a container, a composition of recombinant archaea flagella and packaging material.

Перечень фигурList of figures

На Фиг.1 представлена физическая карта плазмиды pNXA.Figure 1 presents the physical map of the plasmid pNXA.

На Фиг.2 представлена аминокислотная последовательность А1-флагеллина. Последовательности сайтов гликозилирования выделены цветом.Figure 2 presents the amino acid sequence of A1-flagellin. The sequences of glycosylation sites are highlighted.

На Фиг.3 представлена аминокислотная последовательность А2-флагеллина. Последовательности сайтов гликозилирования выделены цветом.Figure 3 presents the amino acid sequence of A2-flagellin. The sequences of glycosylation sites are highlighted.

На Фиг.4 представлены нуклеотидная и приведенная в соответствие к ней аминокислотная последовательность А1-флагеллина в области вставок, а также последовательности самих вставок. Последовательности сайтов гликозилирования и последовательность сайта рестрикции BstXI выделены жирным шрифтом.Figure 4 shows the nucleotide and its corresponding amino acid sequence of A1-flagellin in the region of the inserts, as well as the sequence of the inserts themselves. The sequences of the glycosylation sites and the sequence of the BstXI restriction site are in bold.

На Фиг.5 представлены нуклеотидная и приведенная в соответствие к ней аминокислотная последовательность А2-флагеллина в области вставок после введения сайта эндонуклеазы рестрикции AluNHI, а также последовательности самих вставок. Последовательности сайтов гликозилирования и последовательность сайта рестрикции AluNHI выделены жирным шрифтом.Figure 5 shows the nucleotide and its corresponding amino acid sequence of A2-flagellin in the region of the inserts after the introduction of the AluNHI restriction endonuclease site, as well as the sequence of the inserts themselves. The sequences of the glycosylation sites and the sequence of the AluNHI restriction site are in bold.

На Фиг.6. представлено электронно-микроскопическое изображение жгутиков Н.salinarum: (А) дикий тип, (Б) модифицированные жгутики со вставкой в A1-флагеллин FLAG-пептида; и клеток Н.salinarum: (В) дикий тип, (Г) FLAG-штамм. Препараты были мечены специфичными антителами и конъюгатами белка А с частицами коллоидного золота (10 нм). Негативное контрастирование уранил-ацетатом. Масштабная линейка - 300 нм.6. An electron microscopic image of the flagella H. salinarum is presented: (A) wild type, (B) modified flagella with an insert in the A1-flagellin FLAG peptide; and H. salinarum cells: (B) wild type, (D) FLAG strain. The preparations were labeled with specific antibodies and protein A conjugates with colloidal gold particles (10 nm). Negative contrast with uranyl acetate. The scale bar is 300 nm.

На Фиг.7. представлено электронно-микроскопическое изображение жгутиков Н.salinarum: (А) дикий тип, (Б-В) модифицированные жгутики со вставкой в A1-флагеллин FLAG-пептида. Жгутики были минерализованы оксидом кобальта (А, Б) и оксидом меди (В). Негативное контрастирование проведено уранил-ацетатом. Масштабная линейка - 300 нм.7. An electron microscopic image of N. salinarum flagella is presented: (A) wild type, (B-C) modified flagella with an insert of the FLAG peptide in A1-flagellin. Flagella were mineralized with cobalt oxide (A, B) and copper oxide (C). Negative contrast was performed with uranyl acetate. The scale bar is 300 nm.

ОписаниеDescription

Исследование свойств протяженных жгутиков Н.Salinarum (диаметром 12 нм и длиной несколько микрометров) на основе флагеллинов А1 и А2 «дикого типа» (без генно-инженерных вставок) показало, что жгутики таких флагеллинов обладают адгезивными свойствами к поверхности металлов, пластмасс и других материалов. Однако такие жгутики обладают низкой эффективностью связывания на своей поверхности ионов металлов, что не позволяет использовать флагеллин дикого типа для создания наноматериалов с заданными свойствами. Для получения наноструктурированного материала с заданными свойствами полимерной структуре жгутика, состоящего из А1- и А2-флагеллинов, необходимо придать свойство специфично связывать ионы или наночастицы металлов. Для реализации подобной задачи необходимо выбрать в последовательностях флагеллинов участки, пригодные для включения в них пептидных вставок, с возможностью их последующей модификации ионами металлов. При этом должны быть сохранены структурные механизмы, обеспечивающие полимеризацию флагеллинов А1 и А2 в жгутик, а для проведения эффективной модификации вставок необходимо обеспечить выведение пептидных вставок на внешнюю поверхность сформированного жгутика. В результате получают комбинированный наноструктурированный материал волокнистой структуры, содержащий нити модифицированных жгутиков.A study of the properties of extended N. Salinarum flagella (12 nm in diameter and several micrometers long) based on wild-type flagellins A1 and A2 (without genetically engineered inserts) showed that flagellin flagella have adhesive properties on the surface of metals, plastics, and other materials . However, such flagella have low binding efficiency of metal ions on their surface, which does not allow the use of wild-type flagellin to create nanomaterials with desired properties. To obtain a nanostructured material with desired properties, the polymer structure of the flagellum, consisting of A1 and A2 flagellins, it is necessary to give the property to specifically bind metal ions or nanoparticles. To accomplish such a task, it is necessary to select regions suitable for inclusion of peptide inserts in the flagellin sequences, with the possibility of their subsequent modification by metal ions. In this case, the structural mechanisms ensuring the polymerization of flagellins A1 and A2 into the flagellum must be preserved, and for the effective modification of the inserts, it is necessary to ensure the peptide inserts are removed to the external surface of the formed flagellum. The result is a combined nanostructured fiber material containing filaments of modified flagella.

Известно, что флагеллины А1 и А2, формирующие состав жгутиков H.salinarum N, гликозилированы, при этом каждый флагеллин содержит до 3-х сайтов гликозилирования (последовательности NXT, NXS) [17-18].It is known that flagellins A1 and A2, which form the composition of the flagella H.salinarum N, are glycosylated, with each flagellin containing up to 3 glycosylation sites (NXT, NXS sequences) [17-18].

В процессе изучения свойств жгутиков было обнаружено, что введение коротких пептидных вставок в участки, расположенные между сайтами гликозилирования флагеллинов, не влияет на формирование структуры жгутиков, а сами вставки при синтезе жгутиков остаются экспонированными на внешней поверхности жгутиков, что дает возможность для эффективного нековалентного связывания аминокислот, входящих в состав вставок с ионами и наночастицами метаоллов.In the process of studying the properties of flagella, it was found that the introduction of short peptide inserts in the sites located between the glycosylation sites of flagellins does not affect the formation of the structure of the flagella, and the inserts themselves during the synthesis of flagella remain exposed on the outer surface of the flagella, which makes it possible for efficient non-covalent binding of amino acids that are part of the inserts with ions and nanoparticles of metaolls.

В общем случае способ получения рекомбинантных жгутиков архей состоит из следующих стадий?In the general case, the method for producing recombinant archaea flagella consists of the following stages?

A) Выделение ДНК, кодирующей флагелин.A) Isolation of DNA encoding flagelin.

Б) Выбор типа плазмиды и ее генетической конструкции.B) The choice of the type of plasmid and its genetic design.

B) Выбор последовательности, кодирующей пептид вставки.B) Selection of a sequence encoding an insert peptide.

Г) Выбор места в аминокислотной последовательности внутреннего фрагмента флагеллина для пептидной вставки, а также выбор эндонуклеазы рестрикции для разрезания последовательности в выбранном месте.D) The choice of the place in the amino acid sequence of the internal flagellin fragment for the peptide insert, as well as the choice of restriction endonuclease to cut the sequence at the selected location.

Д) Формирование плазмиды.E) Formation of a plasmid.

Е) Выбор клеток и трансформация клеток полученной плазмидой.E) Cell selection and cell transformation with the obtained plasmid.

Ж) Выращивание клеток на поверхности агаризированной среды и последующий рост клеток в жидкой среде.G) The cultivation of cells on the surface of an agar medium and the subsequent growth of cells in a liquid medium.

З) Выделение жгутиков из культуральной среды для модификации и последующей минерализации поверхности жгутиков.H) Isolation of flagella from the culture medium for modification and subsequent mineralization of the surface of the flagella.

И) Модификация жгутиков выбранным ионом металла/или модификация поверхности наночастицами металла и последующая минерализация поверхности жгутиков выбранным веществом.I) Modification of the flagella by the selected metal ion / or surface modification by metal nanoparticles and subsequent mineralization of the flagellum surface by the selected substance.

К) Выделение, сушка и хранение минерализированных жгутиков, предназначенных для формирования материала.K) Isolation, drying and storage of mineralized flagella intended for the formation of material.

Выделение ДНК, кодирующей флагелин.Isolation of DNA encoding flagelin.

Для выделения тотальной ДНК из H.salinarum, а также выделения плазмидной ДНК из Е. coli используют колонки со стеклянным наполнителем фирмы Qiagen (США). ДНК выделяют согласно инструкции фирмы-производителя. Тотальную ДНК H.salinarum используют в качестве матрицы для наработки ПЦР-фрагментов А-флагеллиного оперона с фланкирующими участками.To isolate total DNA from H.salinarum, as well as to isolate plasmid DNA from E. coli, glass-filled columns from Qiagen (USA) are used. DNA is isolated according to the manufacturer's instructions. Total H.salinarum DNA is used as a template for generating PCR fragments of the A-flagellin operon with flanking regions.

Выбор типа плазмиды и ее генетической конструкции.The choice of the type of plasmid and its genetic design.

Рекомбинантная плазмидная ДНК pNXA, представленная на Фиг.1, имеет размер молекулы около 11000 п.о. и содержит клонированный А-флагеллиновый оперон Н.Salinarum, содержащий области А1 и А2 генов флагеллина по сайтам клонирования XbaI и HindIII. Данная плазмида получена на основе плазмиды pNX [19] путем клонирования ПЦР фрагмента А-флагеллинового оперона Н.Salinarum, при этом длина клонированного фрагмента составляет около 2400 пар нуклеотидов (SEQ ID NO: 1). Плазмида содержит ген устойчивости к ампициллину (AmpR) и ген устойчивости к новобиоцину (NovR). В плазмиде также содержится ген галофильной b-галактозидазы (bgaH). Ген AmpR и бактериальный сайт инициации репликации позволяют наращивать данную плазмиду и ее модификации в клетках Е. coli. Ген NovR обеспечивает устойчивость трансформированных клеток архей к новобиоцину, продукт гена bgaH позволяет трансформированным клеткам приобретать синюю окраску продуктами разложения коммерческого субстрата X-Gal, что служит дополнительным маркером для подтверждения трансформации. В плазмиде отсутствует галоархейный сайт инициации репликации. Это приводит к тому, что при трансформации плазмидой устойчивость к новобиоцину клетки архей приобретают только в случае встраивания плазмиды в хромосому по механизму гомологичной рекомбинации. В конструкции плазмиды около 1200 п.о. в сумме составляют А1-ген флагеллина, представленный на Фиг.2 (SEQ ID NO: 2), и А2-ген флагеллина, представленный на Фиг.3 (SEQ ID NO: 3), а также левый (около 600 п.о) и правый (400 п.о.) фланкирующие участки А-флагеллинового оперона [26]. Кроме того гены А1 и А2 разделяет межгенный промежуток длиной 11 пар нуклеотидов. Фрагмент ДНК А-флагеллинового оперона наработан праймерами:The recombinant pNXA plasmid DNA shown in FIG. 1 has a molecule size of about 11,000 bp. and contains the cloned A-flagellin operon H. Salinarum containing regions A1 and A2 of the flagellin genes at the XbaI and HindIII cloning sites. This plasmid was obtained on the basis of the pNX plasmid [19] by cloning the PCR fragment of H. Salinarum A-flagellin operon, and the length of the cloned fragment is about 2400 nucleotides (SEQ ID NO: 1). The plasmid contains the ampicillin resistance gene (AmpR) and the novobiocin resistance gene (NovR). The plasmid also contains the gene for halophilic b-galactosidase (bgaH). The AmpR gene and the bacterial replication initiation site allow this plasmid and its modifications to be expanded in E. coli cells. The NovR gene ensures the resistance of transformed archaea cells to novobiocin, the bgaH gene product allows the transformed cells to turn blue by the decomposition products of the commercial X-Gal substrate, which serves as an additional marker for confirming the transformation. The haloarchaeic site of replication initiation is absent in the plasmid. This leads to the fact that upon transformation with a plasmid, archaea cells acquire resistance to novobiocin only when the plasmid is inserted into the chromosome by the mechanism of homologous recombination. In the construction of the plasmid is about 1200 bp in sum, the flagellin A1 gene shown in FIG. 2 (SEQ ID NO: 2) and the flagellin A2 gene shown in FIG. 3 (SEQ ID NO: 3) as well as the left (about 600 bp) and the right (400 bp) flanking portions of the A-flagellin operon [26]. In addition, genes A1 and A2 are separated by an intergenic gap 11 nucleotides long. The DNA fragment of the A-flagellin operon was produced by primers:

5'-GTCGGTGCTCTAGACGTCGGGGATCGG-3' (SEQ ID NO: 4)5'-GTCGGTGCTCTAGACGTCGGGGATCGG-3 '(SEQ ID NO: 4)

5'-TCACGATGCAAAGCTTCCATCAGTACGG-3' (SEQ ID NO: 5)5'-TCACGATGCAAAGCTTCCATCAGTACGG-3 '(SEQ ID NO: 5)

с помощью ПЦР. Фрагмент клонирован в плазмиду по сайтам рестрикции HindIII и XbaI. В зависимости от вариантов генетической конструкции плазмиды в область А1-гена, либо А2-гена, либо одновременно в области А1 и А2 гена вводят последовательность, кодирующую пептидную вставку.using PCR. The fragment was cloned into the plasmid at the HindIII and XbaI restriction sites. Depending on the variants of the genetic construction of the plasmid, a sequence encoding a peptide insert is introduced into the region of the A1 gene, or the A2 gene, or simultaneously in the region of A1 and A2 of the gene.

Выбор области в аминокислотной последовательности флагеллина для пептидной вставки.Selecting a region in the flagellin amino acid sequence for a peptide insert.

Введение пептидных вставок осуществляют в области А1- и А2-флагеллинов, располагающиеся между их первыми двумя сайтами гликозилирования от NLT до NLS. Для A1-флагеллина последовательность области выглядит как VRQAAGADNI (SEQ ID NO: 6), а для А2-флагеллина данная последовательность выглядит как VRQAAGADNI (SEQ ID NO: 7). Допустимо введение вставки в любое место между данными сайтами гликозилирования, от поз. 86 до поз. 96 в области флагеллина А1 (Фиг.2) и между поз. 82 до поз. 92 в области флаггелина А2 (Фиг.3). Предпочтительно вводить вставку в середину области между поз. 89 до поз. 92 для флагеллина А1. Так на Фиг.2 представлена аминокислотная последовательность А1-флагеллина, а последовательности сайтов гликозилирования выделены цветом. Для флагеллина А2 предпочтительно вводить вставку в область между поз. 85 до поз. 88. На Фиг.3 представлена аминокислотная последовательность А2-флагеллина, а последовательности сайтов гликозилирования также выделены цветом. При этом введенная аминокислотная последовательность экспонируется на поверхность сформированного жгутика, что позволяет осуществить его последующую обработку веществами, обладающими сродством к использованной вставке.The introduction of peptide inserts is carried out in the field of A1 and A2 flagellins located between their first two glycosylation sites from NLT to NLS. For A1-flagellin, the sequence of the region looks like VRQAAGADNI (SEQ ID NO: 6), and for A2-flagellin, this sequence looks like VRQAAGADNI (SEQ ID NO: 7). It is permissible to insert at any place between these glycosylation sites, from pos. 86 to pos. 96 in the area of flagellin A1 (Figure 2) and between pos. 82 to pos. 92 in the area of flaggel A2 (Figure 3). It is preferable to insert the insert in the middle of the area between poses. 89 to pos. 92 for flagellin A1. So figure 2 presents the amino acid sequence of A1-flagellin, and the sequence of glycosylation sites are highlighted. For flagellin A2, it is preferable to introduce an insert in the region between poses. 85 to pos. 88. Figure 3 shows the amino acid sequence of A2-flagellin, and the sequence of glycosylation sites is also highlighted. In this case, the introduced amino acid sequence is exposed to the surface of the formed flagellum, which allows its subsequent processing with substances having an affinity for the used insert.

Клонирование последовательностей, кодирующих пептидные вставки Клонирование последовательностей, кодирующих выбранный пептид, в области А1- и/или А2-гена осуществляется с использованием стандартных методик, включающих в себя: 1) выбор сайта рестрикции в области генов, соответствующих аминокислотным последовательностям фрагментов белков (SEQ ID NO: 6) и (SEQ ID NO: 7), 2) синтез парных олигонуклеотидов, один из которых кодирует пептидную вставку, а другой комплементарен ему для формирования дуплекса. Также данные олигонуклеотиды должны содержать липкие концы для выбранного сайта рестрикции, 3) Клонирование дуплекса по выбранному сайту. Последовательность пептидной вставки содержит одиночную последовательность длиной от 6 до 60 аминокислот или содержит короткие последовательно соединенные друг с другом последовательности с общей длиной вставки до 60 аминокислот, при этом количество коротких последовательностей лежит в пределах от 2 до 10.Cloning of sequences encoding peptide inserts Cloning of sequences encoding a selected peptide in the region of the A1 and / or A2 gene is carried out using standard techniques, including: 1) selection of a restriction site in the region of genes corresponding to the amino acid sequences of protein fragments (SEQ ID NO: 6) and (SEQ ID NO: 7), 2) the synthesis of paired oligonucleotides, one of which encodes a peptide insert, and the other is complementary to it to form a duplex. Also, these oligonucleotides must contain sticky ends for the selected restriction site, 3) Cloning of the duplex at the selected site. The sequence of the peptide insert contains a single sequence with a length of 6 to 60 amino acids or contains short sequentially connected to each other sequences with a total insert length of up to 60 amino acids, with the number of short sequences ranging from 2 to 10.

Ниже приведен пример клонирования последовательностей, кодирующих выбранный пептид. Так, например, для А1-гена, подобное клонирование состояло из этапов: 1) выбрали эндонуклеазу рестрикции BstXI, которая разрезает А1-ген флагеллина в месте, соответствующем 90-91 аминокислоте белка, 2) синтезировали олигонуклеотидные последовательности SEQ ID NO: 21, SEQ ID NO: 22, 3) клонировали дуплекс олигонуклеотидов в плазмиду pNXA (Фиг.4). При этом все олигонуклеотидные последовательности, кодирующие выбранный пептид, можно схематически изобразить следующим образом: первый олигонуклеотид кодирует последовательность вставляемого пептида и также содержит липкий 3'-конец для клонирования по сайту рестрикции BstXI: 5'-NN(NNN)xGCCG-3' (где N - стандартное обозначение нуклеотида). Второй олигонуклеотид комплементарен первому для формирования дуплекса и, кроме того, содержит липкий конец для клонирования по сайту BstXI: 5'-(NNN)xNNCGGC-3' (где N - стандартное обозначение нуклеотида). Схема способа введения вставки в A1-ген приведена на Фиг.4. Число x определяет число кодонов, кодирующих аминокислоту и может достигать величины от 6 до 60 кодонов для одиночной вставки. Если возникает необходимость введения вставки от поз. 86 до поз. 96 в области флагеллина A1 и между поз. 82 до поз. 92 в области флаггелина А2, но нельзя подобрать подходящий сайт для эндонуклеазы рестрикции, то возможно в данной области изменение нуклеотидной и, соотвественно, аминокислотной последовательности. Подобная замена не приводит к утрате функциональности флагеллина и может при необходимости осуществляться как на А1-, так и на А2-генах флагеллинов, если содержит дополнительные замены аминокислот с сохранением, по меньшей мере, 80%, предпочтительно, по меньшей мере, 90%, более предпочтительно, по меньшей мере, 95%, даже более предпочтительно, по меньшей мере, 99% идентичности последовательности, при этом любая замена аминокислоты является предпочтительно консервативной.The following is an example of cloning sequences encoding a selected peptide. So, for example, for the A1 gene, such cloning consisted of the steps: 1) the BstXI restriction endonuclease was selected, which cuts the flagellin A1 gene at the site corresponding to 90-91 amino acid of the protein, 2) the oligonucleotide sequences SEQ ID NO: 21, SEQ were synthesized ID NO: 22, 3) cloned the oligonucleotide duplex into the pNXA plasmid (Figure 4). Moreover, all oligonucleotide sequences encoding the selected peptide can be schematically depicted as follows: the first oligonucleotide encodes the sequence of the inserted peptide and also contains a sticky 3'-end for cloning at the BstXI restriction site: 5'-NN (NNN) xGCCG-3 '(where N is the standard designation of the nucleotide). The second oligonucleotide is complementary to the first for duplex formation and, in addition, contains a sticky end for cloning at the BstXI site: 5 '- (NNN) xNNCGGC-3' (where N is the standard nucleotide designation). A diagram of the method of introducing an insert into the A1 gene is shown in FIG. 4. The number x determines the number of codons encoding the amino acid and can reach values from 6 to 60 codons for a single insert. If it becomes necessary to introduce an insert from pos. 86 to pos. 96 in the area of flagellin A1 and between pos. 82 to pos. 92 in the area of flaggelin A2, but it is not possible to select a suitable site for restriction endonuclease, it is possible in this area to change the nucleotide and, accordingly, amino acid sequence. Such a replacement does not lead to loss of flagellin functionality and can, if necessary, be carried out both on the A1 and A2 flagellin genes, if it contains additional amino acid substitutions with at least 80%, preferably at least 90%, more preferably at least 95%, even more preferably at least 99% sequence identity, with any amino acid substitution being preferably conservative.

Для А2-гена, подобное клонирование состояло из этапов: 1) проведена замена .в нуклеотидной последовательности А2-гена с составе плазмиды pNXA синтетическими праймерами SEQ ID NO: 23, SEQ ID NO: 24 с использованием QuikChange site-directed mutagenesis kit фирмы Stratagen (поскольку не удалось подобрать подходящей эндонуклеазы рестрикции). Эта замена привела к появлению сайта рестрикции AsuNHI в гене А2, а в соответствующей гену аминокислотной последовательности произошла замена в поз.86 аланина на лейцин SEQ ID NO: 8, 2) синтезированы олигонуклеотидные последовательности, например, SEQ ID NO: 25, SEQ ID NO: 26, 3) дуплекс олигонуклеотидов клонирован в плазмиду pNXA (Фиг.5) При этом все олигонуклеотидные последовательности, кодирующие выбранный пептид, можно схематически изобразить следующим образом: первый олигонуклеотид кодирует последовательность вставляемого пептида и также содержит липкий 5'-конец для клонирования по сайту рестрикции AsuNHI: 5'-CTAGNN(NNN)x-3' (где N - стандартное обозначение нуклеотида). Второй олигонуклеотид комплементарен первому для формирования дуплекса и, кроме того, содержит липкий конец для клонирования по сайту AsuNHI: 5'-CTAG(NNN)xNN-3' (где N - стандартное обозначение нуклеотида). Схема способа введения вставки в А2-ген приведена на Фиг.5. Число x определяет число кодонов, кодирующих аминокислоту и может достигать величины от 6 до 60 кодонов для одиночной вставки.For the A2 gene, such cloning consisted of the following steps: 1) the nucleotide sequence of the A2 gene with the pNXA plasmid was replaced with synthetic primers SEQ ID NO: 23, SEQ ID NO: 24 using the Stratagen QuikChange site-directed mutagenesis kit ( since it was not possible to select a suitable restriction endonuclease). This substitution led to the appearance of the AsuNHI restriction site in the A2 gene, and in the corresponding amino acid sequence gene there was a substitution in pos. 86 of alanine for leucine SEQ ID NO: 8, 2) oligonucleotide sequences were synthesized, for example, SEQ ID NO: 25, SEQ ID NO : 26, 3) the duplex of oligonucleotides was cloned into the pNXA plasmid (Figure 5) In this case, all oligonucleotide sequences encoding the selected peptide can be schematically depicted as follows: the first oligonucleotide encodes the sequence of the inserted peptide and also contains a sticky 5 ' -end for cloning at the AsuNHI restriction site: 5'-CTAGNN (NNN) x-3 '(where N is the standard nucleotide designation). The second oligonucleotide is complementary to the first one to form a duplex and, in addition, contains a sticky end for cloning at the AsuNHI site: 5'-CTAG (NNN) xNN-3 '(where N is the standard nucleotide designation). A diagram of a method for introducing an insert into an A2 gene is shown in FIG. 5. The number x determines the number of codons encoding the amino acid and can reach values from 6 to 60 codons for a single insert.

Получение плазмид с тандемно клонированными вставками перечисленных последовательностей и получение штаммов продуцентов на их основе возможно приведет к усилению или улучшению отдельных характеристик получаемого наноматериала.Obtaining plasmids with tandem-cloned inserts of the listed sequences and obtaining producer strains based on them may possibly enhance or improve individual characteristics of the resulting nanomaterial.

Если вставка тандемно повторяется, то величина x должна уменьшиться кратно числу повторяющихся вставок.If the insert is repeated in tandem, then the value of x should decrease by a multiple of the number of repeating inserts.

Выбор последовательности, кодирующей пептид вставки.The selection of the sequence encoding the peptide of the insert.

Известны пептидные последовательности, которые обладают способностью связывать определенные лиганды [5-13, 15, 16]. В качестве одного из примеров, подтверждающего воспроизводимость и работоспособность способа получения наноструктурированного материала на основе жгутиков архей, создан штамм галофильного археона H. salinarum, синтезирующий жгутики, модифицированные FLAG-пептидом DYKDDDDK (SEQ ID NO: 9). Данный пример (см. пример 1) включает, но не ограничивает других вариантов жгутиков, модифицированных пептидными последовательностями, имеющими высокое сродство к различным лигандам.Peptide sequences are known that have the ability to bind certain ligands [5-13, 15, 16]. A strain of halophilic archaeon H. salinarum, synthesizing flagella modified with the FLAG peptide DYKDDDDK (SEQ ID NO: 9), was created as one of the examples confirming the reproducibility and operability of the method for producing a nanostructured material based on archaea flagella. This example (see example 1) includes, but is not limited to other variants of flagella modified with peptide sequences having high affinity for various ligands.

Подобным образом могут быть получены модифицированные и другими экспонированными на поверхности вставками флагеллины архей с сохранением протяженной надмолекулярной структуры жгутиков. В свете имеющихся данных целесообразным кажется получение жгутиков Н.Salinarum с модифицированным А1- и/или А2-флагеллином следующими вариантами пептидных последовательностей, которые связывают заряженные ионы, оксиды и наночастицы металлов, фосфат железа, связывают лиганды с полупроводниковыми и магнитными свойствами.Similarly, archaea flagellin inserts modified by other surface exposed inserts can be obtained with preservation of the extended supramolecular structure of flagella. In the light of the available data, it seems advisable to obtain N. Salinarum flagella with modified A1 and / or A2 flagellin by the following variants of peptide sequences that bind charged ions, metal oxides and nanoparticles, iron phosphate, bind ligands with semiconductor and magnetic properties.

Последовательность тетраглутамина ЕЕЕЕ (SEQ ID NO: 10) связывает положительно заряженные ионы металлов. Жгутики, модифицированные данной последовательностью, могут быть использованы для получения материала для электродов литий-ионных аккумуляторов [5-6]. Кроме того, показано, что данный тетрапептид способен связывать и фосфат железа, также являющийся перспективным материалом для катодов литий-ионных аккумуляторов [20].The tetraglutamine EEEE sequence (SEQ ID NO: 10) binds positively charged metal ions. Flagella modified by this sequence can be used to obtain material for electrodes of lithium-ion batteries [5-6]. In addition, it was shown that this tetrapeptide is able to bind iron phosphate, which is also a promising material for the cathodes of lithium-ion batteries [20].

Для некоторых вариантов покрытий, использующих наноструктурированные материалы, могут быть использованы жгутики архей с пептидными вставками, связывающими коллоидные наночастицы благородных металлов, или жгутики архей, содержащие два типа вставок, одна из них связывает ионы металла, другая наночастицы благородных металлов. В качестве примера вставки, связывающей наночастицы золота с поверхностью жгутика, служит так называемый золотосвязывающий пептидный мотив LKAHLPPSRLPS (SEQ ID NO: 11) [5-6], который включает, но не ограничивает типы пептидных вставок для связывания наночастиц на поверхности жгутика археи.For some coatings using nanostructured materials, archaea flagella can be used with peptide inserts that bind colloidal nanoparticles of noble metals, or archaea flagella containing two types of inserts, one of them binds metal ions, the other nanoparticles of noble metals. An example of an insert that binds gold nanoparticles to the surface of the flagellum is the so-called gold-binding peptide motif LKAHLPPSRLPS (SEQ ID NO: 11) [5-6], which includes, but is not limited to, the types of peptide inserts for binding nanoparticles on the surface of the archaic flagellum.

Возможно совместное применение двух разных типов пептидных вставок (SEQ ID NO: 11) и (SEQ ID NO: 10), которые, например, совместно экспрессировались для получения бифункциональных частиц модифицированного вируса М13 [5-6].Perhaps the combined use of two different types of peptide inserts (SEQ ID NO: 11) and (SEQ ID NO: 10), which, for example, were jointly expressed to obtain bifunctional particles of the modified M13 virus [5-6].

В качестве пептидной вставки могут быть использованы пептидные последовательности, которые могут связывать лиганды, обеспечивающие полупроводниковые и магнитные свойства. Так пептид с последовательностью CNNPMHQNC (SEQ ID NO: 12) связывает ZnS, пептид с последовательностью SLTPLTTSHLRS (SEQ ID NO: 13) связывает CdS, пептид с последовательностью HNKHLPSTQPLA (SEQ ID NO: 14) связывает FePt, пептид с последовательностью CNAGDHANC (SEQ ID NO: 15) связывает CoPt [10].As the peptide insert, peptide sequences can be used that can bind ligands that provide semiconductor and magnetic properties. So the peptide with the sequence CNNPMHQNC (SEQ ID NO: 12) binds ZnS, the peptide with the sequence SLTPLTTSHLRS (SEQ ID NO: 13) binds CdS, the peptide with the sequence HNKHLPSTQPLA (SEQ ID NO: 14) binds FePt, the peptide with the sequence CNAGDHANC (SEQ IDQ: QQ NO: 15) binds CoPt [10].

Известно, что тетрапептиды RRRR(SEQ ID NO: 16) и RKRK (SEQ ID NO: 17) связывают ионы и оксиды металлов. Пары обладают избирательным сродством к Cu2O и ZnO соответственно [21].The tetrapeptides RRRR (SEQ ID NO: 16) and RKRK (SEQ ID NO: 17) are known to bind metal ions and oxides. Vapors have selective affinity for Cu2O and ZnO, respectively [21].

Пептидные структуры, образующие петли, обладают свойствами связывать ионы металлов, и, в зависимости от состава, имеют анионные или катионные свойства. К таким петлям относятся гистидиновые петли "His-loop" (GHHHHHH) (SEQ ID NO: 18), глутамин-аспарагиновые петли "Glu-Asp loop" (DQDQDQG) (SEQ ID NO: 19), аргнинин-лизиновые петли "Arg-Lys loop" (RKRKRKR) (SEQ ID NO: 20) [11].The peptide structures that form the loops have the ability to bind metal ions, and, depending on the composition, have anionic or cationic properties. Such loops include His-loop histidine loops (GHHHHHH) (SEQ ID NO: 18), Glu-Asp loop glutamine-asparagine loops (DQDQDQG) (SEQ ID NO: 19), Arg-lysine loops Arg- Lys loop "(RKRKRKR) (SEQ ID NO: 20) [11].

Варианты плазмидPlasmid variants

Для проверки эффективности изобретения на основе плазмиды pNXA были получены следующие варианты плазмид: 1) рекомбинантная плазмидная ДНК pNXA1FLAG, обеспечивающая синтез модифицированного FLAG-пептидом А1-флагеллина и немодифицированного А2-флагеллина, 2) рекомбинантная плазмидная ДНК pNXA1A2FLAG, обеспечивающая синтез модифицированных FLAG-пептидом А1- и А2-флагеллинов, 3) рекомбинантная плазмидная ДНК pNXA1FLAGA2GBP, обеспечивающая синтез модифицированного FLAG-пептидом A1-флагеллина и модифицированного золотосвязывающим пептидом А2-флагеллина в клетках Н. Salinarum R1 при трансформации и встраивании данной плазмиды в хромосому организма. Варианты плазмид и способы их получения приведены в примере 2.To verify the effectiveness of the invention, the following plasmid variants were obtained on the basis of pNXA plasmid: 1) recombinant plasmid DNA pNXA1FLAG, which provides synthesis of FLAG-modified A1-flagellin and unmodified A2-flagellin, 2) recombinant plasmid DNA pNXA1A2FLAG, which provides synthesis of modified A-FLNAG p1XA1F2AG - and A2-flagellins, 3) recombinant plasmid DNA pNXA1FLAGA2GBP, which provides the synthesis of modified FLAG-peptide A1-flagellin and modified gold-binding peptide A2-flagellin in N. Sal cells inarum R1 during the transformation and insertion of this plasmid into the chromosome of the body. Options for plasmids and methods for their preparation are shown in example 2.

Все перечисленные плазмидные ДНК были получены путем однократной вставки каждой последовательности в указанные места. Однако данные последовательности также могут быть встроены тандемно 2 и более раз, что приведет к удлинению вставленного кодируемого пептида кратно его длине и может привести к синтезу флагеллинов, отличных по свойствам не только по сравнению с нативным, но и перечисленными модификациями флагеллинов.All of the listed plasmid DNAs were obtained by single insertion of each sequence at the indicated sites. However, these sequences can also be inserted in tandem 2 or more times, which will lead to an extension of the inserted encoded peptide by a multiple of its length and can lead to the synthesis of flagellins, which differ in properties not only from the native, but also from the listed modifications of flagellins.

Выбор клеток и трансформация клеток полученной плазмидойCell selection and cell transformation with the obtained plasmid

Полученными плазмидами трансформируют клетки Н.salinarum и выращивают их на поверхности агаризованной среды с антибиотиком. Выросшие колонии клеток пересевают в жидкую среду, и после роста из клеток либо выделяют жгутики, либо отбирают небольшие количества клеток.The obtained plasmids transform H. salinarum cells and grow them on the surface of an agar medium with an antibiotic. The grown cell colonies are subcultured into a liquid medium, and after growth, either flagella are isolated from the cells or small numbers of cells are selected.

Для получения штаммов-продуцентов модифицированных флагеллинов трансформируют клетки Н.Salinarum по приводимой методике [22]. Н.salinarum - это экстремальный галофильный грамнегативный археон с облигатной аэробностью. Естественной средой обитания данного организма является вода Мертвого моря, а оптимальной для роста является экстремально высокая соленость (до 5.5 М NaCl). В лабораторных условиях выращивается на среде следующего состава: 25% NaCl, 0.2% KCl, 2% Mg2SO4 7×H2O, 0.3% Na-цитрат, 0.5% триптон, 0.2% дрожжевой экстракт, рН 7.5 при 37°С [23].To obtain producer strains of modified flagellins, N. Salinarum cells are transformed according to the described method [22]. H. salinarum is an extreme halophilic gram-negative archaeon with obligate aerobicity. The natural habitat of this organism is the water of the Dead Sea, and the extremely high salinity (up to 5.5 M NaCl) is optimal for growth. Under laboratory conditions, it is grown on a medium of the following composition: 25% NaCl, 0.2% KCl, 2% Mg2SO4 7 × H2O, 0.3% Na citrate, 0.5% tryptone, 0.2% yeast extract, pH 7.5 at 37 ° C [23].

Н.salinarum представляет собой одиночные клетки палочковидной формы, не образующие спор, имеющие лофотрихиальное расположение жгутиков, на стационарной фазе у клеток Н.Salinarum возможна амфитрихиальная локализация. Во всех случаях нити жгутиков образуют пучок, вращение которого создает гидродинамическое усилие, приводящее клетку в движение. В пучок входит 5-10 нитей, представляющих собой полужесткую спираль. При росте Н.salinarum в культуральной среде обнаруживается значительное количество свободных жгутиков.H. salinarum is a single rod-shaped cell that does not form spores, having a lofotrichial arrangement of flagella; amphitrichial localization is possible in the stationary phase in N. salinarum cells. In all cases, the filaments of the flagella form a bundle, the rotation of which creates a hydrodynamic force that sets the cell in motion. The bundle includes 5-10 threads, which are a semi-rigid spiral. With the growth of H. salinarum, a significant amount of free flagella is found in the culture medium.

Взвеси клеток в жидких питальных средах, либо колонии, выросшие на поверхности агаризованной среды, обладают красным цветом за счет присутствия в клеточной стенке бактородопсина.Suspensions of cells in liquid nutrient media, or colonies grown on the surface of an agarized medium, are red due to the presence of bactorodopsin in the cell wall.

В России доступен штамм Н.salinarum R1, предоставляемый Всероссийской коллекцией промышленных микроорганизмов (г.Москва). Все полученные штаммы-продуценты на основе Н.Salinarum R1 характеризуются следующими признаками:In Russia, the strain H. salinarum R1 is available, provided by the All-Russian Collection of Industrial Microorganisms (Moscow). All obtained producer strains based on H. Salinarum R1 are characterized by the following features:

- морфологические признаки: клетки палочковидной формы, грамотрицательные, неспороносные,- morphological signs: rod-shaped cells, gram-negative, non-spore,

- культуральные признаки: при росте на агаризованной среде для Н.Salinarum колонии круглые, гладкие, блестящие, край ровный, окрашены в красный цвет. При росте на жидких средах образуют интенсивную ровную муть,- cultural characteristics: when growing on an agar medium for N. Salinarum, the colonies are round, smooth, shiny, the edge is even, painted red. When growing on liquid media, they form an intense smooth haze,

- физико-биологические признаки: клетки растут при температуре от 20°С до 45°С при оптимуме рН от 6,8 до 7,5. В качестве источника азота используют как минеральные соли в аммонийной форме, так и органические соединения в виде пептона, триптона, дрожжевого экстракта, аминокислот и т.д. В качестве источника углерода используют аминокислоты, глицерин, углеводы,- physical and biological signs: cells grow at a temperature of from 20 ° C to 45 ° C with an optimum pH of 6.8 to 7.5. As a source of nitrogen, both mineral salts in the ammonium form and organic compounds in the form of peptone, tryptone, yeast extract, amino acids, etc. are used. As a carbon source, amino acids, glycerin, carbohydrates,

- устойчивость к антибиотикам: клетки проявляют устойчивость к новобиоцину (до 0.6 мкг/мл), обусловленную наличием в плазмиде pNXA гена NovR,- resistance to antibiotics: cells show resistance to novobiocin (up to 0.6 μg / ml), due to the presence of the NovR gene in the pNXA plasmid,

- штаммы-продуценты отличаются от штамма-реципиента Н.Salinarum R1 только наличием различных вариантов рекомбинантной плазмидной ДНК pNXA, которая придает ему устойчивость к новобиоцину,- producer strains differ from the recipient strain H. Salinarum R1 only in the presence of various variants of the recombinant plasmid DNA pNXA, which gives it resistance to novobiocin,

- отсутствие галоархейного сайта инициации репликации приводит к тому, что при трансформации плазмидой устойчивость к новобиоцину клетки архей приобретают только в случае встраивания плазмиды в хромосому по механизму гомологичной рекомбинации,- the absence of a haloarchean site for the initiation of replication leads to the fact that when a plasmid is transformed, resistance to novobiocin is only acquired by archaea cells when the plasmid is inserted into the chromosome by the mechanism of homologous recombination,

- штаммы-продуценты помимо встроенного с плазмидой модифицированного А-флагеллинового оперона также содержат в себе нативный А-оперон. Следовательно, в составе жгутиков помимо модифицированных флагеллинов (его наличие показано экспериментально иммуно-электронной микроскопией) могут содержаться и немодифицированные флагеллины.- producer strains, in addition to the modified A-flagellin operon integrated with the plasmid, also contain the native A-operon. Therefore, in addition to modified flagellins (its presence was shown experimentally by immuno-electron microscopy), flagella may also contain unmodified flagellins.

Следующие этапы получения рекомбинантных жгутиков, такие как а) выращивание клеток на поверхности агаризированной среды и последующий рост клеток в жидкой среде, б) выделение жгутиков из культуральной среды для модификации и последующей минерализации поверхности жгутиков, г) модификация жгутиков выбранным ионом металла и/или модификация поверхности наночастицами металла или полупроводника и затем последующая минерализация поверхности жгутиков выбранным веществом, д) выделение, сушка и хранение минерализированных жгутиков, предназначенных для формирования материала, - приведены в примерах 4-6.The following steps for producing recombinant flagella, such as a) growing cells on the surface of an agar medium and subsequent cell growth in a liquid medium, b) isolating flagella from the culture medium for modification and subsequent mineralization of the flagellum surface, d) modifying the flagella with a selected metal ion and / or modification surface with metal or semiconductor nanoparticles and then subsequent mineralization of the surface of the flagella with the selected substance, e) isolation, drying and storage of mineralized flagella, intended chennyh for forming the material - are given in Examples 4-6.

Из приведенных примеров модифицированных жгутиков жгутики со вставкой FLAG-пептида (SEQ ID NO: 9) позволяют детектировать его присутствие на поверхности с помощью специфичных моноклональных антител. С помощью иммуно-электронной микроскопии как выделенного препарата жгутиков, так и фиксированных клеток FLAG-штамма Н.salinarum было показано, что данный пептид присутствует в составе флагеллина, а жгутики специфично метятся антителами. Видно, что модифицированные жгутики сохраняют нативную спиральную структуру и морфологически не отличаются от жгутиков дикого типа, при этом FLAG-пептид доступен для связывания с антителами, то есть находится в составе поверхностного участка полипетидной цепи A1-флагеллина (Фиг.6). Известно, что выведенные на поверхность белков тетраглутаминовые или тетрааспарагиновые последовательности способны эффективно связывать ионы металлов (например, Со2+, Cu2+) [5-13]. Так как в составе FLAG-пептида также имеется 4 последовательных отрицательно заряженных аминокислотных остатка - аспартата, жгутики были проверены на связывание металлических ионов. Петля, образованная восемью остатками, оказалась достаточной для выведения кластера заряженных аминокислот на поверхность жгутика и способной связывать ионы металлов. Затем ионы в присутствии боргидрида натрия переводились в нерастворимые частицы оксидов, прикрепленные к жгутику (Фиг.7). Образовавшиеся структуры напоминают наноструктурированные материалы, полученные другими исследователями на основе вирусных частиц и бактериальных жгутиков. Считается, что подобные материалы, в зависимости от типа связанного лиганда, могут быть использованы в качестве материала для электродов литий-ионных аккумуляторов, различных наносенсоров и катализаторов, получения материалов с магнитными и полупроводниковыми свойствами [3-16].Of the examples of modified flagella, flagella with an insert of a FLAG peptide (SEQ ID NO: 9) allow detecting its presence on the surface using specific monoclonal antibodies. Using immuno-electron microscopy of both the isolated preparation of flagella and fixed cells of the FLAG strain of H. salinarum, it was shown that this peptide is present in flagellin, and the flagella are specifically labeled with antibodies. It is seen that the modified flagella retain their native helical structure and do not morphologically differ from wild-type flagella, while the FLAG peptide is available for binding to antibodies, i.e., it is part of the surface region of the A1-flagellin polypetid chain (Fig. 6). It is known that tetraglutamine or tetraasparaginic sequences brought to the surface of proteins are able to efficiently bind metal ions (for example, Co2 +, Cu2 +) [5-13]. Since the FLAG peptide also contains 4 consecutive negatively charged amino acid residues, aspartate, the flagella were tested for binding of metal ions. The loop formed by eight residues was sufficient to bring a cluster of charged amino acids to the surface of the flagellum and able to bind metal ions. Then, ions in the presence of sodium borohydride were transferred to insoluble oxide particles attached to the flagellum (Fig. 7). The resulting structures resemble nanostructured materials obtained by other researchers based on viral particles and bacterial flagella. It is believed that such materials, depending on the type of bound ligand, can be used as a material for electrodes of lithium-ion batteries, various nanosensors and catalysts, and the production of materials with magnetic and semiconductor properties [3-16].

ПримерыExamples

Пример 1. Получение генетических конструкцийExample 1. Obtaining genetic constructs

Генетические конструкции получают на основе плазмиды pNX [19], содержащей ген устойчивости к ампициллину и ген устойчивости к новобиоцину. Для выделения тотальной ДНК из H.salinarum, а также выделения плазмидной ДНК из Е. coli используют колонки со стеклянным наполнителем фирмы Qiagen (США). ДНК выделяют согласно инструкции фирмы-производителя. Тотальную ДНК Н.salinarum используют в качестве матрицы для наработки ПЦР-фрагментов А-флагеллиного оперона с фланкирующими участками.Genetic constructs are obtained on the basis of plasmid pNX [19], which contains the ampicillin resistance gene and the novobiocin resistance gene. To isolate total DNA from H.salinarum, as well as to isolate plasmid DNA from E. coli, glass-filled columns from Qiagen (USA) are used. DNA is isolated according to the manufacturer's instructions. The total DNA of H. salinarum is used as a matrix for the production of PCR fragments of the A-flagellin operon with flanking regions.

С использованием олигонуклеотидных праймеров SEQ ID NO: 4 и SEQ ID NO:5 проводят ПЦР в 50 мкл смеси, состоящей из ПЦР буфера (для Taq ДНК-полимеразы: 57 мМ Трис-HCl, рН 8.8, 16.6 мМ (NH)2SO4, 0.1% Tween-20) с концентрацией MgCl2 от 1.5 до 2.5 мМ, смеси дезоксирибонуклеотидов (в концентрации 0.2 мМ каждого), олигонуклеотидов-праймеров по 20-100 пМ каждого, 2-20 нг плазмидной или 100-200 нг хромосомной ДНК и смеси из 1-2 ед. Taq ДНК-полимеразы и 0.1-0.2 ед. Pfu ДНК-полимеразы. Длительность стадий плавления, отжига и элонгации составляет 10 с, 30 с и 3 мин соответственно. Температуру отжига праймеров определяют по максимальному выходу продуктов, стадию плавления проводят при 95°С, а элонгацию при 72°С, количество циклов - 25.Using oligonucleotide primers SEQ ID NO: 4 and SEQ ID NO: 5, PCR is carried out in 50 μl of a mixture consisting of PCR buffer (for Taq DNA polymerase: 57 mM Tris-HCl, pH 8.8, 16.6 mM (NH) 2SO4, 0.1 % Tween-20) with a MgCl2 concentration of 1.5 to 2.5 mM, a mixture of deoxyribonucleotides (at a concentration of 0.2 mM each), primer oligonucleotides of 20-100 pM each, 2-20 ng plasmid or 100-200 ng chromosomal DNA, and a mixture of 1 -2 units Taq DNA polymerase and 0.1-0.2 units. Pfu DNA polymerase. The duration of the stages of melting, annealing, and elongation is 10 s, 30 s, and 3 min, respectively. The annealing temperature of the primers is determined by the maximum yield of products, the melting stage is carried out at 95 ° C, and elongation at 72 ° C, the number of cycles is 25.

ПЦР-продукты, а также плазмидную ДНК анализируют методом ДНК-электрофореза в агарозном геле в ТАЕ-буфере согласно [24]. Обработку ДНК эндонуклезами рестрикции (все фирмы Fermentas, Литва) и постановку лигазной реакции с использованием Т4 ДНК-лигазы (Fermentas, Литва) проводят согласно инструкции производителя.PCR products as well as plasmid DNA were analyzed by agarose gel electrophoresis in TAE buffer according to [24]. DNA processing with restriction endonucleoses (all companies of Fermentas, Lithuania) and ligation using T4 DNA ligase (Fermentas, Lithuania) are carried out according to the manufacturer's instructions.

Пример 2. Конструкции плазмид с разными типами пептидных вставокExample 2. Design plasmids with different types of peptide inserts

В качестве клонируемой последовательности использованы различные дуплексы синтетических олигонуклеотидов: (SEQ ID NO: 21), (SEQ ID NO: 22); (SEQ ID NO: 25). (SEQ ID NO: 26); (SEQ ID NO: 27), (SEQ ID NO: 28). Все последовательности в соответствии с комплементарностью попарно отжигают друг на друга.Various duplexes of synthetic oligonucleotides were used as a cloned sequence: (SEQ ID NO: 21), (SEQ ID NO: 22); (SEQ ID NO: 25). (SEQ ID NO: 26); (SEQ ID NO: 27), (SEQ ID NO: 28). All sequences in accordance with complementarity are annealed in pairs on top of each other.

А) Конструкция плазмиды pNXA1FLAGA) Construction of plasmid pNXA1FLAG

В качестве примера, который включает, но не ограничивает другие варианты, в данном примере рассмотрен способ введения вставки, которая кодирует последовательность FLAG-пептида. С этой целью используют праймер с последовательностью SEQ ID NO: 21 и праймер с комплементарной последовательностью SEQ ID NO: 22.As an example, which includes, but is not limited to other options, this example discusses a method of introducing an insert that encodes the sequence of the FLAG peptide. For this purpose, a primer with the sequence of SEQ ID NO: 21 and a primer with the complementary sequence of SEQ ID NO: 22 are used.

Праймеры отжигают друг на друга с охлаждением их смеси с 80°С до комнатной температуры, после чего проводят их фосфорилирование по 3'-концам полинуклеотидкиназой (Fermentas, Литва) согласно инструкции. Далее проводят клонирование данной синтетической двухцепочечной олигонуклеотидной последовательности, кодирующей FLAG-пептид, путем вставки в А1-ген флагеллина в месте, соответствующем 90-91 аминокислоте белка по сайту рестрикции BstXI, за счет липких концов для данного сайта (Фиг.4), образующегося при отжиге синтетических одноцепочечных олигонуклеотидов (SEQ ID NO: 21) и (SEQ ID NO: 22). Полученной лигазной смесью трансформируют клетки Е. coli согласно [25] и высевают на чашки с агаризованной (1.5%) средой LB с 100 мкг/мл ампициллина. Для наработки плазмидной ДНК выращенную колонию с чашки пересевают в жидкую среду с антибиотиком и после подроста клеток выделяют плазмиду. Полученные плазмиды секвенируют на ДНК-секвенаторе ABI PRIZM 310 (Applied Biosystems, США).The primers are annealed on top of each other with cooling of their mixture from 80 ° C to room temperature, after which they are phosphorylated at the 3'-ends by polynucleotide kinase (Fermentas, Lithuania) according to the instructions. Next, cloning of this synthetic double-stranded oligonucleotide sequence encoding a FLAG peptide is carried out by inserting flagellin into the A1 gene at the site corresponding to 90-91 amino acid of the protein at the BstXI restriction site, due to the sticky ends for this site (Figure 4), formed at annealing of synthetic single chain oligonucleotides (SEQ ID NO: 21) and (SEQ ID NO: 22). The obtained ligase mixture was used to transform E. coli cells according to [25] and plated on plates with agarized (1.5%) LB medium with 100 μg / ml ampicillin. To produce plasmid DNA, the grown colony from a cup is subcultured into a liquid medium with an antibiotic, and a plasmid is isolated after the cells undergrowth. The resulting plasmids are sequenced on an ABI PRIZM 310 DNA sequencer (Applied Biosystems, USA).

Таким образом, в приведенном примере для клонирования по сайту рестрикции BstXI в A1-генфлагеллина олигонуклеотидов, кодирующих другие вставки, они должны выглядеть следующим образом: первый олигонуклеотид кодирует последовательность вставляемого пептида и также содержит липкий 3'-конец: 5'-NN(NNN)xGCCG-3' (где N - стандартное обозначение нуклеотида). Второй олигонуклеотид комплементарен первому для формирования дуплекса и, кроме того, содержит липкий конец для клонирования по сайту BstXI: 5'-(NNN)xNNCGGC-3' (где N - стандартное обозначение нуклеотида). Схема способа введения вставки в А1-ген приведена на Фиг.4. Число x определяет число кодонов, кодирующих аминокислоту и может достигать величины от 6 до 60 кодонов для одиночной вставки.Thus, in the above example, to clone oligonucleotides encoding other inserts at the BstXI restriction site in A1-geneflagellin, they should look like this: the first oligonucleotide encodes the sequence of the inserted peptide and also contains a sticky 3'-end: 5'-NN (NNN) xGCCG-3 '(where N is the standard designation of the nucleotide). The second oligonucleotide is complementary to the first for duplex formation and, in addition, contains a sticky end for cloning at the BstXI site: 5 '- (NNN) xNNCGGC-3' (where N is the standard nucleotide designation). A diagram of the method of introducing an insert into the A1 gene is shown in FIG. 4. The number x determines the number of codons encoding the amino acid and can reach values from 6 to 60 codons for a single insert.

Б) Конструкция плазмиды pNXA1A2FLAGB) Construction of plasmid pNXA1A2FLAG

Плазмида pNXA1A2FLAG была получена в два этапа: во-первых, созданы условия для вставки в область А2-флагеллинового гена различных последовательностей. Так как сайта рестрикции для BstXI в А2-гене не имеется, а также не удалось подобрать других уникальных сайтов в выбранной области между сайтами гликозилирования, было решено ввести искусственный сайт путем замены нескольких нуклеотидов. Такая замена была осуществлена в плазмиде pNXA с использованием синтетических олигунуклеотидовPlasmid pNXA1A2FLAG was obtained in two stages: firstly, conditions were created for the insertion of different sequences into the region of the A2 flagellin gene. Since there is no restriction site for BstXI in the A2 gene, and it was also not possible to select other unique sites in the selected region between the glycosylation sites, it was decided to introduce an artificial site by replacing several nucleotides. This replacement was carried out in the plasmid pNXA using synthetic oligunucleotides

5'-CACCGTGCGCCAGCTAGCCGGAGCC-3' (SEQ ID NO: 23) и5'-CACCGTGCGCCAGCTAGCCGGAGCC-3 '(SEQ ID NO: 23) and

5'-GGCTCCGGCTAGCTGGCGCACGGTG-3' (SEQ ID NO: 24)5'-GGCTCCGGCTAGCTGGCGCACGGTG-3 '(SEQ ID NO: 24)

и набора реактивов QuikChange site-directed mutagenesis kit (фирмы Stratagene). Таким образом, был введен сайт для эндонуклеазы рестрикции AluNHI, приводящей к замене в продукте А2-гена 86 аминокислоты аланина на лейцин. В результате фрагмент флагеллина А2, ограниченный первыми двумя сайтами гликозилирования, после замены выглядит как VRQLAGADNI (SEQ ID NO: 8). Подобная замена не приводит к утрате функциональности флагеллина и может при необходимости осуществляться как на А1-, так и на А2-генах флагеллинов. Количество замен в области из 10 аминокислот между первыми двумя сайтами гликозилирования как в А1, так и А2 флагеллинах может достигать 20% процентов с сохранением, по меньшей мере, 80%, предпочтительно, по меньшей мере, 90%, более предпочтительно, по меньшей мере, 95%, даже более предпочтительно, по меньшей мере, 99% идентичности последовательности, при этом любая замена аминокислоты является предпочтительно консервативной заменой. Далее, в А1-ген в месте, соответствующем 90-91 аминокислоте, и А2-ген в месте, соответствующем 86-87 аминокислоте каждого белка, вставили по синтетической двухцепочечной олигонуклеотидной последовательности, кодирующей FLAG-пептид. Данная последовательность встроена в А1-ген флагеллина по сайту рестрикции BstXI за счет липких концов для данного сайта, образующегося при отжиге синтетических одноцепочечных олигонуклеотидов (SEQ ID NO: 21) и (SEQ ID NO: 22), а в А2-ген флагеллина по сайту рестрикции AluNHI также за счет липких концов для данного сайта, образующегося при отжиге синтетических одноцепочечных олигонуклеотидов (Фиг.4-5).and the QuikChange site-directed mutagenesis kit (Stratagene). Thus, the site for the restriction endonuclease AluNHI was introduced, leading to the replacement in the product of A2 gene 86 of the amino acid alanine with leucine. As a result, the flagellin A2 fragment bounded by the first two glycosylation sites, after replacement, looks like VRQLAGADNI (SEQ ID NO: 8). Such a replacement does not lead to the loss of flagellin functionality and can, if necessary, be carried out both on the A1- and A2-genes of flagellins. The number of substitutions in the region of 10 amino acids between the first two glycosylation sites in both A1 and A2 flagellins can reach 20% percent while retaining at least 80%, preferably at least 90%, more preferably at least 95%, even more preferably at least 99% sequence identity, with any amino acid substitution being preferably a conservative substitution. Next, a synthetic double-stranded oligonucleotide sequence encoding a FLAG peptide was inserted into the A1 gene at the site corresponding to 90-91 amino acids and the A2 gene at the site corresponding to 86-87 amino acids of each protein. This sequence is inserted into the A1 flagellin gene at the BstXI restriction site due to the sticky ends for this site resulting from the annealing of synthetic single-chain oligonucleotides (SEQ ID NO: 21) and (SEQ ID NO: 22), and into the A2 flagellin gene at the site AluNHI restriction also due to the sticky ends for a given site resulting from the annealing of synthetic single-stranded oligonucleotides (Figures 4-5).

5'-CTAGGTGACTACAAGGACGATGACGATAAGGGT-3' (SEQ ID NO: 25)5'-CTAGGTGACTACAAGGACGATGACGATAAGGGT-3 '(SEQ ID NO: 25)

5'-CTAGACCCTTATCGTCATCGTCCTTGTAGTCAC-3' (SEQ ID NO: 26)5'-CTAGACCCTTATCGTCATCGTCCTTGTAGTCAC-3 '(SEQ ID NO: 26)

Таким образом, в приведенном примере, для клонирования по сайту рестрикции BstXI в A1-генфлагеллина олигонуклеотидов, кодирующих другие вставки, они должны выглядеть следующим образом: первый олигонуклеотид кодирует последовательность вставляемого пептида и также содержит липкий 3'-конец: 5'-NN(NNN)xGCCG-3' (где N - стандартное обозначение нуклеотида). Второй олигонуклеотид комплементарен первому для формирования дуплекса и, кроме того, содержит липкий конец для клонирования по сайту BstXI: 5'-(NNN)xNNCGGC-3' (где N - стандартное обозначение нуклеотида). Схема способа введения вставки в А1-ген приведена на Фиг.4. Для вставки в А2-ген: первый олигонуклеотид кодирует последовательность вставляемого пептида и также содержит липкий 5'-конец для клонирования по сайту рестрикции AsuNHI: 5'-CTAGNN(NNN)x-3' (где N - стандартное обозначение нуклеотида). Второй олигонуклеотид комплементарен первому для формирования дуплекса и, кроме того, содержит липкий конец для клонирования по сайту AsuNHI: 5'-CTAG(NNN)xNN-3' (где N - стандартное обозначение нуклеотида). Схема способа введения вставки в А2-ген приведена на Фиг.5. Число x определяет число кодонов, кодирующих аминокислоту, и может достигать величины от 6 до 60 кодонов для одиночной вставки.Thus, in the above example, to clone oligonucleotides encoding other inserts at the BstXI restriction site in A1-geneflagellin, they should look like this: the first oligonucleotide encodes the sequence of the inserted peptide and also contains a sticky 3'-end: 5'-NN (NNN ) xGCCG-3 '(where N is the standard designation of the nucleotide). The second oligonucleotide is complementary to the first for duplex formation and, in addition, contains a sticky end for cloning at the BstXI site: 5 '- (NNN) xNNCGGC-3' (where N is the standard nucleotide designation). A diagram of the method of introducing an insert into the A1 gene is shown in FIG. 4. For insertion into the A2 gene: the first oligonucleotide encodes the sequence of the inserted peptide and also contains a sticky 5'-end for cloning at the AsuNHI restriction site: 5'-CTAGNN (NNN) x-3 '(where N is the standard nucleotide designation). The second oligonucleotide is complementary to the first one to form a duplex and, in addition, contains a sticky end for cloning at the AsuNHI site: 5'-CTAG (NNN) xNN-3 '(where N is the standard nucleotide designation). A diagram of a method for introducing an insert into an A2 gene is shown in FIG. 5. The number x determines the number of codons encoding the amino acid, and can reach values from 6 to 60 codons for a single insert.

В) Конструкция плазмиды pNXA1FLAGA2GBPB) Construction of plasmid pNXA1FLAGA2GBP

Плазмида pNXA1FLAGA2GBP также была получена в два этапа: во-первых, аналогично получению плазмиды pNXA1A2FLAG в область А2-флагеллинового гена был введен сайт для эндонуклеазы рестрикции AluNHI, приводящей к замене в продукте А2-гена 86 аминокислоты аланина на лейцин. Далее, в А1-ген в месте, соответствующем 90-91 аминокислоте белка, вставили синтетическую двухцепочечную олигонуклеотидную последовательность, кодирующую FLAG-пептид, а в А2-ген в месте, соответствующем 86-87 аминокислоте белка, синтетическую двухцепочечную олигонуклеотидную последовательность (SEQ ID NO: 11), кодирующую пептид, связывающую наночастицы коллоидного золота (Golden Binding Peptide). Последовательность золотосвязывающего пептидного мотива (SEQ ID NO: 11) определена методом фагового дисплея. Последовательность, кодирующая FLAG-пептид, встроена в А1-ген флагеллина по сайту рестрикции BstXI за счет липких концов для данного сайта, образующегося при отжиге двух синтетических одноцепочечных олигонуклеотидов (SEQ ID NO: 21)и (SEQ ID NO: 22). Последовательность (SEQ ID NO: 11), кодирующую пептид, вставили в А2-ген флагеллина по сайту рестрикции AluNHI также за счет липких концов для данного сайта, образующегося при отжиге синтетических одноцепочечных олигонуклеотидов (Фиг.4-5):Plasmid pNXA1FLAGA2GBP was also obtained in two stages: first, similarly to the preparation of plasmid pNXA1A2FLAG, a restriction endonuclease AluNHI site was introduced into the region of the A2 flagellin gene, which leads to the replacement of the alanine amino acid 86 with leucine in the A2 gene product. Next, a synthetic double-stranded oligonucleotide sequence encoding a FLAG peptide was inserted into the A1 gene at the site corresponding to 90-91 amino acid of the protein, and the synthetic double-stranded oligonucleotide sequence (SEQ ID NO) into the A2 gene at the site corresponding to 86-87 amino acid of the protein : 11) encoding a peptide that binds colloidal gold nanoparticles (Golden Binding Peptide). The sequence of the gold-binding peptide motif (SEQ ID NO: 11) was determined by phage display. The sequence encoding the FLAG peptide is inserted into the A1 flagellin gene at the BstXI restriction site due to the sticky ends for this site resulting from the annealing of two synthetic single-stranded oligonucleotides (SEQ ID NO: 21) and (SEQ ID NO: 22). The sequence (SEQ ID NO: 11) encoding the peptide was inserted into the A2-flagellin gene at the AluNHI restriction site also due to the sticky ends for this site resulting from the annealing of synthetic single-stranded oligonucleotides (Figs. 4-5):

5'-CTAGGTCTAAAGGCCCATCTACCTCCTAGTAGGCTACCTAGTGGT-3'5'-CTAGGTCTAAAGGCCCATCTACCTCCTAGTAGGCTACCTAGTGGT-3 '

(SEQ ID NO: 27)(SEQ ID NO: 27)

5'-CAGATTTCCGGGTAGATGGAGGATCATCCGATGGATCACCAGATC-3'5'-CAGATTTCCGGGTAGATGGAGGATCATCCGATGGATCACCAGATC-3 '

(SEQ ID NO: 28).(SEQ ID NO: 28).

Таким образом, в приведенном примере, для клонирования по сайту рестрикции BstXI в A1-ген флагеллина олигонуклеотидов, кодирующих другие вставки, они должны выглядеть следующим образом: первый олигонуклеотид кодирует последовательность вставляемого пептида и также содержит липкий 3'-конец: 5'-NN(NNN)xGCCG-3' (где N - стандартное обозначение нуклеотида). Второй олигонуклеотид комплементарен первому для формирования дуплекса и, кроме того, содержит липкий конец для клонирования по сайту BstXI: 5'-(NNN)xNNCGGC-3' (где N - стандартное обозначение нуклеотида). Схема способа введения вставки в А1-ген приведена на Фиг.4. Для вставки в А2-ген: первый олигонуклеотид кодирует последовательность вставляемого пептида и также содержит липкий 5'-конец для клонирования по сайту рестрикции AsuNHI: 5'-CTAGNN(NNN)x-3 (где N - стандартное обозначение нуклеотида). Второй олигонуклеотид комплементарен первому для формирования дуплекса и, кроме того, содержит липкий конец для клонирования по сайту AsuNHI: 5'-CTAG(NNN)xNN-3' (где N - стандартное обозначение нуклеотида). Схема способа введения вставки в А2-ген приведена на Фиг.5. Число x определяет число кодонов, кодирующих аминокислоту, и может достигать величины от 6 до 60 кодонов для одиночной вставки.Thus, in the above example, to clone oligonucleotides encoding other inserts at the BstXI restriction site into the A1 flagellin gene, they should look like this: the first oligonucleotide encodes the sequence of the inserted peptide and also contains a sticky 3'-end: 5'-NN ( NNN) xGCCG-3 '(where N is the standard designation of the nucleotide). The second oligonucleotide is complementary to the first for duplex formation and, in addition, contains a sticky end for cloning at the BstXI site: 5 '- (NNN) xNNCGGC-3' (where N is the standard nucleotide designation). A diagram of the method of introducing an insert into the A1 gene is shown in FIG. 4. For insertion into the A2 gene: the first oligonucleotide encodes the sequence of the inserted peptide and also contains a sticky 5'-end for cloning at the AsuNHI restriction site: 5'-CTAGNN (NNN) x-3 (where N is the standard nucleotide designation). The second oligonucleotide is complementary to the first one to form a duplex and, in addition, contains a sticky end for cloning at the AsuNHI site: 5'-CTAG (NNN) xNN-3 '(where N is the standard nucleotide designation). A diagram of a method for introducing an insert into an A2 gene is shown in FIG. 5. The number x determines the number of codons encoding the amino acid, and can reach values from 6 to 60 codons for a single insert.

Пример 3. Получение штаммов продуцентов модифицированных жгутиков Н.salinarum R1Example 3. Obtaining strains of producers of modified flagella N. salinarum R1

Использован штамм Н.salinarum R1, предоставленный Всероссийской коллекцией промышленных микроорганизмов (г.Москва). Клетки Н.salinarum выращивают на среде следующего состава: 25% NaCl, 0.2% КС1, 2% Mg2S04 7x H20. 0.3% Na-цитрат, 0.5% триптон, 0.2% дрожжевой экстракт, рН 7.5 при 37°С [23].Used strain N. salinarum R1, provided by the All-Russian collection of industrial microorganisms (Moscow). N. salinarum cells are grown on a medium of the following composition: 25% NaCl, 0.2% KCl, 2% Mg2S04 7x H20. 0.3% Na citrate, 0.5% tryptone, 0.2% yeast extract, pH 7.5 at 37 ° С [23].

Штамм получают путем трансформации клеток Н.salinarum с использованием полиэтиленгликоля (ПЭГ) по описанной ранее методике [22] со следующими модификациями. Сферопласты получают отдельно для каждой аликвоты (1.5 мл) клеточной культуры. Клетки осаждают в 1.5 мл пробирках центрифугированием при 4000 g в течение 10 мин и затем ресуспендируют в 150 мкл сферопластирующего раствора. Для получения сферопластов к клеточной суспензии добавляют 15 мкл 0.5 М ЭДТА и выдерживают смесь 10 мин при комнатной температуре. Затем добавляют 10 мкл раствора, содержащего около 5 мкг плазмидной ДНК, и инкубируют смесь в течение 5 мин, после чего добавляют равный объем раствора, содержащего 60% ПЭГ-600 и 40% сферопластирующего раствора (вес/объем). Клетки инкубируют в течение 20 мин при комнатной температуре. Для восстановления клеток к суспензии добавляют 15 мл культуральной среды, содержащей 15% сахарозы, и инкубируют в течение 12-24 часов при 37°С с покачиванием. Селекция трансформантов осуществляют на агаризованной среде, содержащей 15% сахарозы и 0.1-0.2 мкг/мл антибиотика новобиоцина (Sigma, США). Инкубацию осуществляют при 37°С в течение 10-14 сут. Культуры клеток Н.salinarum хранят на чашках Петри на соответствующих средах с 1.5% агаром при при комнатной температуре.The strain is obtained by transforming H. salinarum cells using polyethylene glycol (PEG) according to the previously described method [22] with the following modifications. Spheroplasts are obtained separately for each aliquot (1.5 ml) of the cell culture. Cells are pelleted in 1.5 ml tubes by centrifugation at 4000 g for 10 min and then resuspended in 150 μl spheroplasting solution. To obtain spheroplasts, 15 μl of 0.5 M EDTA was added to the cell suspension and the mixture was kept for 10 min at room temperature. Then add 10 μl of a solution containing about 5 μg of plasmid DNA, and the mixture is incubated for 5 minutes, after which an equal volume of the solution containing 60% PEG-600 and 40% spheroplasting solution (weight / volume) is added. Cells are incubated for 20 min at room temperature. To restore cells, 15 ml of culture medium containing 15% sucrose are added to the suspension and incubated for 12-24 hours at 37 ° С with shaking. The selection of transformants is carried out on an agar medium containing 15% sucrose and 0.1-0.2 μg / ml of the antibiotic novobiocin (Sigma, USA). Incubation is carried out at 37 ° C for 10-14 days. Cell cultures of H. salinarum are stored in Petri dishes on appropriate media with 1.5% agar at room temperature.

Полученные штаммы культивируются аналогично нетрансформированным клеткам Н.Salinarum R1 за исключением добавки 0.1-0.2 мкг/мл антибиотика новобиоцинаThe obtained strains are cultured similarly to the untransformed N. Salinarum R1 cells with the exception of the addition of 0.1-0.2 μg / ml novobiocin antibiotic

Пример 4. Выделение и очистка жгутиковExample 4. Isolation and purification of flagella

Для выделения жгутиков культуру Н.salinarum выращивают в литровых колбах с 200 мл среды до поздней стационарной фазы. Полученную биомассу осаждают центрифугированием при 8000 g в течение 30 мин. К супернатанту, полученному после осаждения клеток, добавляют 4% ПЭГ-6000 и затем осаждают жгутики центрифугированием при 15000 g в течение 45 мин. Далее, для очистки жгутиков используют центрифугирование в градиенте плотности CsCl (12 часов при 55000 об/мин, ротор VTI-80, Beckman, США). Хлористый цезий растворяют в солевой среде до получения плотности 1.36 г/см3. Фракция, содержащая жгутики, образовывала видимую зону в средней части пробирки. Содержимое фракции разводят (в 10 раз) солевой средой, содержащей 25% NaCl, 20 мМ MgSO4, и, далее, жгутики переосаждают центрифугированием при 80000 g в течение 1 часа.To isolate the flagella, the H. salinarum culture was grown in liter flasks from 200 ml of medium to the late stationary phase. The resulting biomass is precipitated by centrifugation at 8000 g for 30 minutes. To the supernatant obtained after cell precipitation, 4% PEG-6000 is added and then the flagella are precipitated by centrifugation at 15,000 g for 45 minutes. Further, CsCl density gradient centrifugation was used to clean the flagella (12 hours at 55,000 rpm, VTI-80 rotor, Beckman, USA). Cesium chloride is dissolved in saline to obtain a density of 1.36 g / cm 3 . The fraction containing flagella formed a visible zone in the middle of the tube. The contents of the fraction are diluted (10 times) with brine containing 25% NaCl, 20 mM MgSO4, and then the flagella are reprecipitated by centrifugation at 80,000 g for 1 hour.

Пример 5. Связывание ионов металлов и минерализация жгутиков.Example 5. The binding of metal ions and the mineralization of flagella.

Связывание ионов металлов проводят аналогично методу, описанному Белчер [5-6] с модификациями. Жгутики при концентрации 0.1 мг/мл выдерживают в течение часа в водном растворе 1.5 М NaCl, содержащем 5 мМ хлорида Co или Cu. Затем к трем объемам раствора жгутиков добавляют один объем раствора, содержащего 1.5 М NaCl и 100 мМ NaBH4, и инкубируют в течение 1 часа до прекращения реакции.The binding of metal ions is carried out similarly to the method described by Belcher [5-6] with modifications. Flagella at a concentration of 0.1 mg / ml were incubated for one hour in an aqueous solution of 1.5 M NaCl containing 5 mM Co or Cu chloride. Then, one volume of a solution containing 1.5 M NaCl and 100 mM NaBH4 was added to three volumes of a flagella solution and incubated for 1 hour until the reaction stopped.

Пример 6. Получение наноструктурированного материала на основе минерализованных жгутиков с модификациями.Example 6. Obtaining a nanostructured material based on mineralized flagella with modifications.

После минерализации модифицированных жгутиков (пример. 4) они переходят в легко осаждаемый (4000g, 10 минут) осадок черного цвета (цвет оксидов Co и Cu). Данный осадок отделяется от супернатанта, затем суспендируется в воде и заново осаждается для отмывки от соли. Полученный осадок переносится на инертную подложку, сушится под ваккумом при комнатной температуре в течение суток. Полученный сухой порошок черного цвета хранится при комнатной температуре длительное время.After mineralization of the modified flagella (example 4), they turn into an easily precipitated (4000g, 10 minutes) black precipitate (color of Co and Cu oxides). This precipitate is separated from the supernatant, then suspended in water and re-precipitated for washing from salt. The resulting precipitate is transferred to an inert substrate, dried under vacuum at room temperature for a day. The resulting dry black powder is stored at room temperature for a long time.

Пример 7. Получение электронных микрофотографий и исследование жгутиков с помощью иммуно-электронной микроскопииExample 7. Obtaining electron micrographs and the study of flagella using immuno-electron microscopy

Для получения электронных микрофотографий использовали микроскоп JEM-100 с «JEOL» (Япония). Для приготовления электронно-микроскопических образцов препараты наносят на электронно-микроскопические медные сетки с формваровой пленкой-подложкой, выдерживают 1 мин и отбирают раствор фильтровальной бумагой, после чего помещают сетку на раствор 2% уранилацетата, выдерживают 30 с, отбирают раствор фильтровальной бумагой и далее высушивают.To obtain electron micrographs, a JEM-100 microscope with JEOL (Japan) was used. To prepare electron microscopic samples, the preparations are applied to electron microscopic copper grids with a form-film substrate, stand for 1 min and the solution is taken out with filter paper, then the grid is placed on a solution of 2% uranyl acetate, incubated for 30 seconds, the solution is taken out with filter paper and then dried .

Образцы жгутиков сразу наносят на электронно-микроскопические медные сетки с формваровой пленкой-подложкой и выдерживают 5 мин. Для приготовления ИЭМ-препаратов клетки Н.salinarum подвергают предварительной фиксации. Для этого клетки осаждают при 4000 g в течение 5 мин и затем суспендируют в 15% растворе NaCl, к которому добавляют глутаровый альдегид до концентрации 1%, и оставляют на 20 мин. Затем суспензию клеток помещают на электронно-микроскопические медные сетки с формваровой пленкой-подложкой и выдерживают 5 мин, после чего сетки помещают на раствор 0.7% глицина в 5% NaCl для связывания избыточного альдегида. Сетки с образцами жгутиков или фиксированных клеток помещают на блокирующий буфер для ИЭМ (10 мМ Трис-HCl, рН 8, 150 мМ NaCl, 1% БСА) на 30 мин, а затем переносят на тот же буфер с препаратом моноклональных ANTI FLAG М2-антител (Sigma, США) и выдерживают 30 мин. Антитела разводят в 500, 200 и 100 раз. Затем сетки отмывают от антител в блокирующем буфере для ИЭМ 3-4 раза по 1 мин и переносят на тот же буфер с добавлением конъюгатов белка А с частицами коллоидного золота (размер частиц 10 нм, Jannsen Biotech, Бельгия) на 45-60 мин. Конъюгаты разводят в 50, 20 и 10 раз. Далее сетки отмывают блокирующим буфером для ИЭМ без БСА 2-3 раза по 5-10 мин, отбирают раствор фильтровальной бумагой и помещают на раствор 2% уранилацетата для негативного контрастирования. Через 30 с раствор 2% уранилацетата отбирают фильтровальной бумагой, сетки высушивают и исследуют образцы на микроскопе. Наилучшее мечение препаратов жгутиков было достигнуто при разведении антител в 200-100, а конъюгатов в 20-10 раз.Samples of flagella are immediately applied to electron microscopic copper grids with a formar film substrate and incubated for 5 minutes. To prepare IEM preparations, H. salinarum cells are pre-fixed. For this, the cells are precipitated at 4000 g for 5 minutes and then suspended in a 15% NaCl solution, to which glutaraldehyde is added to a concentration of 1%, and left for 20 minutes. Then the cell suspension was placed on electron microscopic copper grids with a formar film substrate and incubated for 5 min, after which the grids were placed on a solution of 0.7% glycine in 5% NaCl to bind the excess aldehyde. Grids with samples of flagella or fixed cells are placed on the IEM blocking buffer (10 mM Tris-HCl, pH 8, 150 mM NaCl, 1% BSA) for 30 min, and then transferred to the same buffer with the preparation of monoclonal ANTI FLAG M2 antibodies (Sigma, USA) and incubated for 30 minutes Antibodies are bred 500, 200 and 100 times. Then the nets are washed from antibodies in the blocking IEM buffer 3-4 times for 1 min and transferred to the same buffer with addition of protein A conjugates with colloidal gold particles (particle size 10 nm, Jannsen Biotech, Belgium) for 45-60 minutes. Conjugates are diluted 50, 20 and 10 times. Next, the mesh is washed with a blocking buffer for IEM without BSA 2-3 times for 5-10 minutes, the solution is removed with filter paper and placed on a solution of 2% uranyl acetate for negative contrast. After 30 s, a solution of 2% uranyl acetate was removed with filter paper, the grids were dried, and samples were examined under a microscope. The best labeling of flagella preparations was achieved by dilution of antibodies 200-100, and conjugates 20-10 times.

Несмотря на то что настоящее изобретение описывает конкретные и предпочтительные варианты его реализации, следует иметь в виду, что указанные варианты не ограничивают возможные модификации и варианты настоящего изобретения.Although the present invention describes specific and preferred options for its implementation, it should be borne in mind that these options do not limit the possible modifications and variations of the present invention.

ЛитератураLiterature

[1] Bock L. et al. Nano-Chem-Fet Based Biosensors. US Pat. Applic. №20080044911 (February 21, 2008).[1] Bock L. et al. Nano-Chem-Fet Based Biosensors. US Pat. Applic. No. 20080044911 (February 21, 2008).

[2] Iran B.Q. NANO-electronics. US Pat. Applic. №20070285843 (December 13, 2007).[2] Iran B.Q. NANO-electronics. US Pat. Applic. No. 20070285843 (December 13, 2007).

[3] Wirth R. et al. Molecular Glue. US Pat. Applic. №20080305524 (December 11, 2008).[3] Wirth R. et al. Molecular Glue. US Pat. Applic. No. 200880305524 (December 11, 2008).

[4] Gazit E. et al. Peptide nanostructures encapsulating a foreign material and method of manufacturing same. US Pat. Applic. №20060079455 (April 13, 2006).[4] Gazit E. et al. Peptide nanostructures encapsulating a foreign material and method of manufacturing same. US Pat. Applic. No. 200,000,7455 (April 13, 2006).

[5] Nam K.T. et al. Virus-Enabled Synthesis and Assembly of Nanowires for Lithium Ion Battery Electrodes. Science, V.312, P.885-888 (2006).[5] Nam K.T. et al. Virus-Enabled Synthesis and Assembly of Nanowires for Lithium Ion Battery Electrodes. Science, V.312, P.885-888 (2006).

[6] Belcher A.M. et al. Nanoscaling ordering of hybrid materials using genetically engineered mesoscale virus. US Pat. Applic. №20030073104 (April 17, 2003).[6] Belcher A.M. et al. Nanoscaling ordering of hybrid materials using genetically engineered mesoscale virus. US Pat. Applic. No. 30030073104 (April 17, 2003).

[7] Belcher A.M. et al. Multifunctional biomaterials as scaffolds for electronic, optical, magnetic, semiconducting, and biotechnological applications. US Pat. Applic. №20050170336 (August 4, 2005).[7] Belcher A.M. et al. Multifunctional biomaterials as scaffolds for electronic, optical, magnetic, semiconducting, and biotechnological applications. US Pat. Applic. No. 20050170336 (August 4, 2005).

[8] Belcher A.M. et al. Biological control ofnanoparticle nucleation, shape and crystal phase US Pat. Applic. №20060275791 (December 7, 2006).[8] Belcher A.M. et al. Biological control ofnanoparticle nucleation, shape and crystal phase US Pat. Applic. No. 20060275791 (December 7, 2006).

[9] Nam К.Т. et al. Virus scaffold for self-assembled, flexible and light lithium battery. US Pat. Applic. №20060121346 (June 8, 2006).[9] Nam K.T. et al. Virus scaffold for self-assembled, flexible and light lithium battery. US Pat. Applic. No. 20060121346 (June 8, 2006).

[10] Мао С. et al., Virus-Based Toolkit for the Directed Synthesis of Magnetic and Semiconducting Nanowires. Science, 2004, V.303, P.213-217.[10] Mao S. et al., Virus-Based Toolkit for the Directed Synthesis of Magnetic and Semiconducting Nanowires. Science, 2004, V.303, P.213-217.

[11] Kumara M.T. et al., Self-assembly of metal nanoparticles and nanotubes on bioengineered flagella scaffolds. Chem. Mater., 2007, V.19, P.2056-2064.[11] Kumara M.T. et al., Self-assembly of metal nanoparticles and nanotubes on bioengineered flagella scaffolds. Chem. Mater., 2007, V.19, P.2056-2064.

[12] Yu В. et al., A Novel Biometallic Interface: High Affinity Tip-Associated Binding by Pilin-Derived Protein Nanotubes. J.Bionanosci., 2007, V.1, 73-83.[12] Yu B. et al., A Novel Biometallic Interface: High Affinity Tip-Associated Binding by Pilin-Derived Protein Nanotubes. J. Bionanosci., 2007, V.1, 73-83.

[13] Audette G.F., Hazes B. Development of protein nanotubes from a multi-purpose biological structure. J.Nanosci. Nanotechnol., 2007, V.7, P.2222-2229.[13] Audette G.F., Hazes B. Development of protein nanotubes from a multi-purpose biological structure. J. Nanosci. Nanotechnol., 2007, V.7, P.2222-2229.

[14] Атабеков И.Г. Применение вирусных структур в качестве инструментов нанотехнологий. Росс. Нанотехн., 2008, Т.3, Р.132-141.[14] Atabekov I.G. The use of viral structures as tools for nanotechnology. Ross Nanotech., 2008, T.3, R.132-141.

[15] Mudalige Thilak Kumara et al., Bioengineered Flagella Protein Nanotubes with Cysteine Loops: Self-Assembly and Manipulation in an Optical Trap Nano Lett., Vol.6, No.9, 2006.[15] Mudalige Thilak Kumara et al., Bioengineered Flagella Protein Nanotubes with Cysteine Loops: Self-Assembly and Manipulation in an Optical Trap Nano Lett., Vol.6, No.9, 2006.

[16] Benita Westerlund-Wikstro et al., Functional expression of adhesive peptides as fusions to Escherichia coli flagellin. Protein Engineering vol.10 no.11 pp.1319-1326, 1997.[16] Benita Westerlund-Wikstro et al., Functional expression of adhesive peptides as fusions to Escherichia coli flagellin. Protein Engineering vol. 10 no.11 pp. 1319-1326, 1997.

[17] Thomas A.N. et al., The archaeal flagellum: a different kind of prokaryotic motility structure. FEMS Microbiol. Reviews, 2001, V.25, P.147-174.[17] Thomas A.N. et al., The archaeal flagellum: a different kind of prokaryotic motility structure. FEMS Microbiol. Reviews, 2001, V.25, P.147-174.

[18]] Logan S.M. Flagellar glycosylation - a new component of the motility repertoire? Microbiol., 2006, V.152, P.1249-1262.[18]] Logan S.M. Flagellar glycosylation - a new component of the motility repertoire? Microbiol., 2006, V.152, P.1249-1262.

[19] Tarasov V.Y., Pyatibratov M.G., Tang S., Dyall-Smith M., Fedorov O.V. // Role of flagellins from A and B loci in flagella formation of Halobacterium salinarum. Mol. Microbiol., 2000, V.35, P.69-78.[19] Tarasov V.Y., Pyatibratov M.G., Tang S., Dyall-Smith M., Fedorov O.V. // Role of flagellins from A and B loci in flagella formation of Halobacterium salinarum. Mol. Microbiol., 2000, V.35, P.69-78.

[20] Fabricating Genetically Engineered High-Power Lithium Ion Batteries Using Multiple Virus Genes. Yun Jung Lee, Hyunjung Yi, Woo-Jae Kirn, Kisuk Kang, Dong Soo Yun, Michael S. Strano, Gerbrand Ceder, Angela M. Belcher. 2 April 2009/10.1126/science.[20] Fabricating Genetically Engineered High-Power Lithium Ion Batteries Using Multiple Virus Genes. Yun Jung Lee, Hyunjung Yi, Woo-Jae Kirn, Kisuk Kang, Dong Soo Yun, Michael S. Strano, Gerbrand Ceder, Angela M. Belcher. April 2, 2009 / 10.1126 / science.

[21] Corrine K. Thai et al., Identification and Characterization of Cu2O- and ZnO-Binding Polypeptides by Escherichia coli Cell Surface Display: Toward an Understanding of Metal Oxide Binding. BIOTECHNOLOGY AND BIOENGINEERING, VOL.87, NO. 2, JULY 20, 2004.[21] Corrine K. Thai et al., Identification and Characterization of Cu2O- and ZnO-Binding Polypeptides by Escherichia coli Cell Surface Display: Toward an Understanding of Metal Oxide Binding. BIOTECHNOLOGY AND BIOENGINEERING, VOL. 87, NO. 2, JULY 20, 2004.

[22] Cline S.W. et al., Transformation methods for halophilic archaebacteria. Can. J. Microbiol., 1989, V.35, P.148-152.[22] Cline S.W. et al., Transformation methods for halophilic archaebacteria. Can. J. Microbiol., 1989, V.35, P.148-152.

[23] Dyall-Smith M. The halohandbook: protocols for halobacterial genetics. 2008 (http://www.haloarchaea.com/resources/halohandbook).[23] Dyall-Smith M. The halohandbook: protocols for halobacterial genetics. 2008 (http://www.haloarchaea.com/resources/halohandbook).

[24] Sambrook J., Russell D.W. Molecular cloning: a laboratory manual. Cold Spring Harbor, NY: Cold Spring Harbor Laboratory Press, 2001.[24] Sambrook J., Russell D.W. Molecular cloning: a laboratory manual. Cold Spring Harbor, NY: Cold Spring Harbor Laboratory Press, 2001.

[25] Inoue H. et al., High efficiency transformation of Escherichia coli with plasmids. Gene, 1990, V.96, P.23-28.[25] Inoue H. et al., High efficiency transformation of Escherichia coli with plasmids. Gene, 1990, V.96, P.23-28.

[26] Oesterhelt The system was conceived and implemented within the Dept. of Membrane Biochemistry of the Max-Planck-Institute of Biochemistry, Martinsried, Germany (http://www.halolex.mpg.de/public)/[26] Oesterhelt The system was conceived and implemented within the Dept. of Membrane Biochemistry of the Max-Planck-Institute of Biochemistry, Martinsried, Germany (http://www.halolex.mpg.de/public)/

Claims (10)

1. Способ получения наноструктурного материала на основе рекомбинантных жгутиков архей Н. salinarum, связанных с ионами металлов или наночастицами, включающий трансформацию клеток архей рекомбинантной плазмидой, выращивание клеток, выделение жгутиков архей, содержащих пептидные вставки для связывания с ионами или наночастицами металлов или с наночастицами с магнитными или полупроводниковыми свойствами, модификацию поверхности жгутиков посредством связывания пептидных вставок с металлическими, полупроводниковыми, магнитными наночастицами или ионами металлов, с возможностью последующей минерализации указанных ионов или наночастиц и промывкой, сушкой и упаковкой полученного наноструктурированного материала, где конструкция плазмиды содержит рекомбинантные гены для синтеза флагеллинов А1 и А2, формирующих жгутик, при этом последовательность флагеллина А1 и/или флагеллина А2 содержит пептидную вставку для избирательного связывания ионов металлов или наночастиц, где место пептидной вставки определяют в области между первым и вторым сайтами гликозилирования, расположенной в флагеллине А1 между позицией 86 и позицией 96 SEQ ID NO: 2, а в флагеллине А2 - между позицией 82 и позицией 92 SEQ ID NO: 3, где пептидная вставка может содержать одиночную последовательность длиной от 6 до 60 аминокислот или содержать короткие последовательно соединенные друг с другом последовательности с общей длиной вставки до 60 аминокислот, при этом количество коротких последовательностей лежит в пределах от 2 до 10.1. A method of obtaining a nanostructured material based on recombinant archaea of N. archinum salinarum flagella associated with metal ions or nanoparticles, comprising transforming archaea cells with a recombinant plasmid, growing cells, isolation of archaea flagella containing peptide inserts for binding with metal ions or nanoparticles or with nanoparticles with magnetic or semiconductor properties, modifying the surface of flagella by binding peptide inserts to metal, semiconductor, magnetic nanoparticles or metal ions, with the possibility of subsequent mineralization of these ions or nanoparticles and washing, drying and packaging of the obtained nanostructured material, where the plasmid design contains recombinant genes for the synthesis of flagellins A1 and A2, forming a flagellum, while the sequence of flagellin A1 and / or flagellin A2 contains a peptide insert for selective binding of metal ions or nanoparticles, where the location of the peptide insert is determined in the region between the first and second glycosylation sites, located in flagellin A1 between position 86 and position 96 of SEQ ID NO: 2, and in flagellin A2 between position 82 and position 92 of SEQ ID NO: 3, where the peptide insert may contain a single sequence of 6 to 60 amino acids in length or contain short sequentially sequences connected to each other with a total insertion length of up to 60 amino acids, with the number of short sequences ranging from 2 to 10. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что генетическую конструкцию рекомбинантной плазмиды получают на основе плазмиды pNXA.2. The method according to claim 1, characterized in that the genetic design of the recombinant plasmid is obtained on the basis of plasmid pNXA. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что модификацию поверхности жгутиков осуществляют посредством связывания пептидных вставок с ионами металлов с последующей минерализацией.3. The method according to claim 1, characterized in that the surface modification of the flagella is carried out by binding peptide inserts with metal ions, followed by mineralization. 4. Способ по п.3, отличающийся тем, что последовательность пептидной вставки выбирают таким образом, чтобы она нековалентно связывала ионы металлов, выбираемых из группы, в которую входят: кобальт, ванадий, никель, марганец, железо, кадмий, вольфрам, хром, цирконий, титан, скандий, иттрий, медь, кальций, алюминий, барий, бериллий, магний и стронций.4. The method according to claim 3, characterized in that the sequence of the peptide insert is chosen so that it non-covalently binds metal ions selected from the group consisting of cobalt, vanadium, nickel, manganese, iron, cadmium, tungsten, chromium, zirconium, titanium, scandium, yttrium, copper, calcium, aluminum, barium, beryllium, magnesium and strontium. 5. Способ по п.1, отличающийся тем, что модификацию поверхности жгутиков осуществляют посредством связывания пептидных вставок с металлическими, полупроводниковыми, магнитными наночастицами.5. The method according to claim 1, characterized in that the surface modification of the flagella is carried out by binding peptide inserts with metal, semiconductor, magnetic nanoparticles. 6. Способ по п.5, отличающийся тем, что последовательность пептидной вставки выбирают таким образом, чтобы она нековалентно связывала наночастицы металлов выбираемых из группы, состоящей из золота, платины, серебра, палладия.6. The method according to claim 5, characterized in that the sequence of the peptide insert is chosen so that it non-covalently binds nanoparticles of metals selected from the group consisting of gold, platinum, silver, palladium. 7. Способ по п.5, отличающийся тем, что последовательность пептидной вставки выбирают таким образом, чтобы она нековалентно связывала наночастицы, обладающие полупроводниковыми свойствами, входящими в группу: ZnS, CdS.7. The method according to claim 5, characterized in that the sequence of the peptide insert is chosen so that it non-covalently binds nanoparticles having semiconductor properties belonging to the group: ZnS, CdS. 8. Способ по п.5, отличающийся тем, что последовательность пептидной вставки выбирают таким образом, чтобы она нековалентно связывала наночастицы, обладающие магнитными свойствами, входящими в группу: FePt, CoPt.8. The method according to claim 5, characterized in that the sequence of the peptide insert is chosen so that it non-covalently binds nanoparticles having magnetic properties included in the group: FePt, CoPt. 9. Способ по п.1, отличающийся тем, что пептидную вставку выбирают из группы, состоящей из аминокислотных последовательностей SEQ ID NO: 9-20.9. The method according to claim 1, characterized in that the peptide insert is selected from the group consisting of amino acid sequences of SEQ ID NO: 9-20. 10. Способ по п.9, отличающийся тем, что пептидную вставку выбирают из группы, состоящей из аминокислотных последовательностей SEQ ID NO: 9 и 11. 10. The method according to claim 9, characterized in that the peptide insert is selected from the group consisting of amino acid sequences of SEQ ID NO: 9 and 11.
RU2009114562/10A 2009-04-20 2009-04-20 Method of obtaining nanostructured material based on recombinant archea flagella RU2522833C2 (en)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2009114562/10A RU2522833C2 (en) 2009-04-20 2009-04-20 Method of obtaining nanostructured material based on recombinant archea flagella
PCT/RU2010/000185 WO2010123406A2 (en) 2009-04-20 2010-04-19 Multi-functional nanomaterial based on modified archaeal halobacterium salinarum flagella (embodiments) and a method for producing same

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2009114562/10A RU2522833C2 (en) 2009-04-20 2009-04-20 Method of obtaining nanostructured material based on recombinant archea flagella

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2009114562A RU2009114562A (en) 2010-10-27
RU2522833C2 true RU2522833C2 (en) 2014-07-20

Family

ID=44041853

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2009114562/10A RU2522833C2 (en) 2009-04-20 2009-04-20 Method of obtaining nanostructured material based on recombinant archea flagella

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2522833C2 (en)

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2006077448A1 (en) * 2004-12-29 2006-07-27 University Of Pannonia Modified flagellins and flagellar filaments useful as receptors and methods for the preparation thereof
WO2006128678A1 (en) * 2005-05-31 2006-12-07 Universität Regensburg Molecular glue

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2006077448A1 (en) * 2004-12-29 2006-07-27 University Of Pannonia Modified flagellins and flagellar filaments useful as receptors and methods for the preparation thereof
WO2006128678A1 (en) * 2005-05-31 2006-12-07 Universität Regensburg Molecular glue

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
KUMARA M.T. et al., Self-Assembly of Metal Nanoparticles and Nanotubes on Bioengineered Flagella Scaffolds, Chem. Mater., 2007, v. 19, n. 8, p. 2056-2064. DEPLANCHE K et al, Manufacture of stable palladium and gold nanoparticles on native and genetically engineered flagella scaffolds, Biotechnol. Bioeng., 2008, v. 101, n. 5, p. 873-880. *
WANG F. et al, Genetically Modifiable Flagella as Templates for Silica Fibers: From Hybrid Nanotubes to 1D Periodic Nanohole Arrays, Adv. Funct. Mater., 2008, v. 18, p. 4007-4013. *
БЕЗНОСОВ С.Н. и др, О мультикомпонентности жгутиков Halobacterium salinarum, Микробиология, 2007, т. 76, н. 4, стр. 494-501. *

Also Published As

Publication number Publication date
RU2009114562A (en) 2010-10-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8017729B2 (en) Nanographite structure/metal nanoparticle composite
Kriplani et al. Selecting peptides for use in nanoscale materials using phage-displayed combinatorial peptide libraries
Fan et al. Biomorphic mineralization: from biology to materials
EP1905869B1 (en) Three-dimensional structure of functional material
Lee et al. Synthesis and application of virus‐based hybrid nanomaterials
US8088982B2 (en) Multifunctional biomaterials as scaffolds for electronic, optical, magnetic, semiconducting, and biotechnological applications
US20060172282A1 (en) Peptide templates for nanoparticle synthesis obtained through PCR-driven phage display method
US20200392193A1 (en) Fusion protein
Papapostolou et al. Engineering and exploiting protein assemblies in synthetic biology
Shen et al. Materials design using genetically engineered proteins
JP2017512249A (en) Rare earth material binding peptide and use thereof
Rego et al. Biologically inspired strategy for programmed assembly of viral building blocks with controlled dimensions
Janairo et al. Synergic strategies for the enhanced self-assembly of biomineralization peptides for the synthesis of functional nanomaterials
RU2522833C2 (en) Method of obtaining nanostructured material based on recombinant archea flagella
Kumara et al. Generation and characterization of inorganic and organic nanotubes on bioengineered flagella of mesophilic bacteria
JP2016088846A (en) Rare earth trapping material and application thereof
JP6213453B2 (en) Separation of rare earth ions
RU2526514C2 (en) METHOD OF PRODUCING NANOMATERIAL BASED ON RECOMBINANT ARCHAEAL Halobacterium salinarum FLAGELLA
WO2010123406A2 (en) Multi-functional nanomaterial based on modified archaeal halobacterium salinarum flagella (embodiments) and a method for producing same
Beznosov et al. Archaeal flagella as matrices for new nanomaterials
Golec et al. Phage display-selected peptides for binding and synthesis of nanoparticles: ZnO as an example
Mohan Virus-based nanoelectronic devices
WO2016080430A1 (en) Peptide binding to nano carbon compound
JP2016149969A (en) Niobium material binding peptide
JP2018164436A (en) Complex for introducing gene into plant cell