Лаборатория углеводов и биоцидов им. академика Н.К. Кочеткова (№ 21)

Заведующий: д.х.н. Верещагин Анатолий Николаевич

Страница лаборатории: colab.ws

ORCID: 0000-0001-8675-4943 Researcher ID: M-4057-2016 h-index = 28 (WoS) h-index = 26 (Scopus)

E-mail:

Тел.:

Основные направления исследований

Группа изучения бактериальных полисахаридов

Работа группы концентрируется на установлении строения биологически важных сложных природных углеводов и их аналогов, а также изучении путей их биосинтеза. Основными объектами структурных исследований являются бактериальные полисахариды, липополисахариды и олигосахариды. В числе актуальных направлений работы группы:

изучение строения, биосинтеза и возможностей использования полисахаридов клеточной стенки и капсулы важных в медицинском отношении бактерий (Escherichia, Shigella, Yersinia, Enterobacter, Acinetobacter) и фитопатогенных микроорганизмов (Pseudomonas, Pantoea, Pectobacterium);
изучение механизмов расщепления бактериальных полисахаридов деполимеразами бактериофагов — потенциальными антибактериальными агентами;
синтез конъюгатов на основе олигосахаридных фрагментов бактериальных полисахаридов как потенциальных вакцин;
разработка новых методов структурного анализа сложных природных углеводов.

Группа гликоинформатики

Усилия группы направлены на обеспечение науки об углеводах всей мощью современных компьютерных технологий, предоставление ученым легкого доступа к знаниям, созданию сервисов по обобщению знаний, моделированию объектов гликомики и предсказанию их свойств, разработке необходимых для этого информационных технологий. Актуальные направления работ группы:

платформа гликоинформатики Carbohydrate Structure Database [http://csdb.glycoscience.ru], как основа для веб-сервисов и полная регулярно пополняемая курируемая база данных природных углеводов прокариотического, грибного и растительного происхождения;
курируемая база гликозилтрансфераз [http://csdb.glycoscience.ru/gt.html] трех наиболее изученных видов бактерий, растений и грибов;
концепция, модель химических сдвигов, новый подход к предсказанию спектров и сервис 1D и 2D ЯМР-симуляции углеводов и их производных с беспрецедентной средней точностью 0.6 (¹³C) и 0.07 (¹H) м.д. (GODDESS [http://csdb.glycoscience.ru/goddess.html]);
модель и веб-сервис по предсказанию первичной структуры углеводов по неотнесенным спектрам ЯМР и другим легко получаемым экспериментальным данным (GRASS [http://csdb.glycoscience.ru/grass.html]).

Группа изучения биоцидов

Работа научного коллектива сфокусирована на получении новых биологически активных агентов, преимущественно биоцидов, с использованием современных и экономичных методов органического синтеза. Основные исследования сосредоточены на производных четвертичных аммониевых соединений (ЧАС или QAC), пиридиниевых солей, мультизамещенных пиперидинов и пиперидонов. В числе актуальных направлений работы группы:

синтез новых типов биоцидов, в частности четвертичных аммониевых соединений, проявляющих широкий спектр антибактериального, противогрибкового и противовирусного действия;
применение моделей SAR для направленного синтеза таргетных биологически активных молекул;
создание новых высокоэффективных антисептических и дезинфицирующих составов;
разработка экологичных антибактериальных материалов длительного действия, включая нанокомпозитные материалы длительного высвобождения и «Contact-kill» материалы поверхностного действия;
физико-химические исследования поверхностно-активных веществ;
стереоселективный мультикомпонентный синтез биологических активных производных мультизамещенных пиперидинов, тетрагидропиридинов и пиперидонов.

Лучшие результаты

✓ На предыдущих этапах исследований высокая биоцидная активность по отношению к «архивным» штаммам микроорганизмов использовалась как основной показатель при разработке новых антисептических рецептур. Хотя этот фактор остается одной из наиболее важных характеристик эффективности биоцидов, масштабы распространения устойчивости к противомикробным препаратам вызывают серьезную обеспокоенность. В связи с этим акцент смещается в сторону разработки препаратов со стабильным действием даже при длительном контакте с возбудителями. В рамках работы был представлен оригинальный метод алкилирования изоциануровой кислоты с использованием доступных алкилдихлоридов, который открыл доступ к широкой панели новых мульти-ЧАС с алкильными цепями различной длины между атомами азота триазинового и пиридинового циклов. Для полученной серии были проведены микробиологические исследования, включая изучение антибиопленочных свойств, развития бактериальной толерантности и антимикробной активности в отношении мультирезистентных патогенных штаммов. Новые соединения продемонстрировали более высокие уровни антибактериальной активности против возбудителей ESKAPE, чем широко используемые коммерческие биоциды. Соединения-лидеры обладали высокой активностью в отношении клинических штаммов бактерий, а также продемонстрировали длительный биоцидный эффект без значительного развития толерантности микроорганизмов. Совокупные результаты свидетельствуют о высоком уровне антибактериальной активности и широкой перспективе применения мульти-ЧАС на основе изоциануровой кислоты против резистентных штаммов бактерий и грибков.

Статья: Seferyan M.A., Saverina E.A., Frolov N.A., Detusheva E.V., Kamanina O.A., Arlyapov V.A., Ostashevskaya I.I., Ananikov V.P., Vereshchagin A.N. Multicationic Quaternary Ammonium Compounds: A Framework for Combating Bacterial Resistance, ACS Infectious Diseases, 2023, 9, 1206-1220. Q1. DOI: 10.1021/acsinfecdis.2c00546

✓ Работа посвящена исследованию биоцидных свойств ЧАС на основе пиридиниевых структур с ароматическими спейсерами и их широко известных аналогов в отношении клинически значимых микроорганизмов. В работе были проведены измерения основных показателей антимикробной и антибиопленочной активности, изучение синергетического эффекта с различными спиртами в антисептических составах и развития устойчивости бактерий. Показано, что все комбинированные разработанные препараты-аналоги обладают более высоким уровнем антибактериальной активности в отношении тестируемых штаммов бактерий со снижением минимальной ингибирующей и минимальной бактерицидной концентрации в 16–32 раза по сравнению с ранее применявшимися антисептическими препаратами. Более того, лучшие ЧАС продемонстрировали стабильный эффект против грамотрицательных E. coli, K. pneumoniae и A. baumannii в течение месяца инкубации. Общие результаты фиксируют высокий уровень потенциального применения новых ЧАС на основе пиридина в качестве антисептиков и дезинфектантов.

Статья: Frolov, N.; Detusheva, E.; Fursova, N.; Ostashevskaya, I.; Vereshchagin, A. Microbiological Evaluation of Novel Bis-Quaternary Ammonium Compounds: Clinical Strains, Biofilms, and Resistance Study, Pharmaceuticals, 2022, 15, 514. DOI: 10.3390/ph15050514.

✓ Литические бактериофаги обладают потенциалом для лечения инфекций, вызванных бактериями с широкой устойчивостью к антибиотикам. Для Acinetobacter baumannii большинство фагов проявляют специфичность к типу капсульного полисахарида, образующего защитную капсулу бактериальной клетки. Однако, устойчивость может возникнуть из-за мутаций в генах капсульного полисахаридов, что обуславливает снижение активности бактериофагов. В представленной работе подробно изучено действие фага на изоляте ST2 A. baumannii AB5001 с широкой устойчивостью к антибиотикам. Полученные результаты показывают, что делеции одного основания в гене синтеза капсульного полисахарида приводят к изменению окончательной структуры, а не к удалению слоя капсулы и, следовательно, влияют на способность недавно обнаруженного подофага инфицировать штаммы, продуцирующие полисахарид типа K3.

Статья: Timoshina O.Y., Kasimova A.A., Shneider M.M., Arbatsky N.P., Shashkov A.S., Shelenkov A.A., Mikhailova Y.V., Popova A.V., Hall R.M., Knirel Y.A., Kenyon J.J. Loss of a branch sugar in the Acinetobacter baumannii K3-type capsular polysaccharide due to frameshifts in the gtr6 glycosyltransferase gene leads to susceptibility to phage APK37.1, Microbiol. Spectr. 2023, 11, e0363122. DOI: 10.1128/spectrum.03631-22.

✓ Acinetobacter baumannii является критически важным внутрибольничным патогеном, который продуцирует различные капсульные полисахариды, первичные рецепторы для специфических фагов, несущих деполимеразу. В этом исследовании были охарактеризованы деполимеразы хвостового шипа, кодируемые в геномах шести новых фриунавирусов APK09, APK14, APK16, APK86, APK127v, APK128, и одного ранее описанного фага фриунавируса, APK37.1. Для всех деполимераз установлен механизм специфического расщепления соответствующих капсульных полисахаридов A. baumannii. Определена структура олигосахаридных фрагментов, полученных в результате деградации капсульных полисахаридов K9, K14, K16, K37/K3-v1, K86, K127 и K128 рекомбинантными деполимеразами. Показано значительное снижение смертности личинок Galleria mellonella, зараженных капсульным полисахаридом A. baumannii К9, на примере рекомбинантной деполимеразы хвостового шипа APK09_gp48. Полученные данные позволят лучше понять взаимодействие фагово-бактериальных систем хозяина и будут способствовать формированию принципов рационального использования литических фагов и ферментов, полученных из фагов, в качестве антибактериальных средств.

Статья: Timoshina O.Y., Kasimova A.A., Shneider M.M., Matyuta I.O., Nikolaeva A.Y. Evseev P.V., Arbatsky N.P., Shashkov A.S., Chizhov A.O., Shelenkov A.A., Mikhaylova Y.V., Slukin P.V., Volozhantsev N.V., Boyko K.M., Knirel Y.A., Miroshnikov K.A., Popova A.V. Friunavirus phage-encoded depolymerases specific to different capsular types of Acinetobacter baumannii, Int. J. Mol. Sci. 2023, 24, 9100. DOI: 10.3390/ijms24109100.

✓ База данных структуры углеводов (Carbohydrate Structure Database, CSDB, http://csdb.glicoscience.ru/) — это бесплатное курируемое хранилище, содержащее различную информацию о гликанах бактериального, грибкового, растительного и иного происхождения. В настоящее время она обеспечивает практически полный охват углеводов микроорганизмов. Веб-интерфейс CSDB обеспечивает свободный доступ к содержимому базы данных и специальным функциям, однако количество этих функций и виды анализа ограничены, но сама база содержит информацию, которая могла бы быть использована в более широком объеме аналитических исследований. В данной работе представлены исходные данные CSDB и иллюстрировано их возможное применение в исследованиях гликанов. Например, используя CSDB в формате SQL, пользователь может получить доступ к распределению длин цепей или распределению зарядов в заданном наборе гликанов, определенных в соответствии со структурными, таксономическими или другими параметрами, тогда как исходные файлы могут быть импортированы в любую специализированную базу данных со специфической внутренней архитектурой, отличной от CSDB.

Статья: Ph.V. Toukach, K.S. Egorova. Source files of the Carbohydrate Structure Database: the way to sophisticated analysis of natural glycans, Scientific Data, 2022, 9, 131. DOI: 10.1038/s41597-022-01186-9. https://www.nature.com/articles/s41597-022-01186-9

✓ В работе описаны функции, использование и применение редактора структур CSDB/SNFG — нового онлайн-инструмента для быстрого и интуитивно понятного ввода структур углеводов и их производных с использованием символьной номенклатуры гликанов (SNFG). Редактор построен на платформе базы данных CSDB и предоставляет онлайн-сервисы через веб-API. Редактор позволяет создавать олиго- и полимерные углеводные структуры и поддерживает большинство особенностей природных гликанов, таких как недоопределенные структуры, альтернативные разветвления, повторяющиеся субъединицы, SMILES для атипичных мономеров и другие. Словарь «строительных блоков» содержит более 600 мономерных остатков, в том числе 327 моносахаридов. Поддержка SMILES позволяет вводить и визуализировать химические структуры практически неограниченной сложности. С другой стороны, интерфейс соответствует признанному стилю GlycanBuilder, удобному для начинающих пользователей. Функция экспорта включает поддержку нотаций CSDB Linear, GlycoCT, WURCS, SweetDB и Glycam, кодов SMILES, форматов координат атомов MOL/PDB, растровых и векторных изображений SNFG, а также визуализацию «на лету» в виде структурных формул и трехмерных молекулярных моделей. Интеграция редактора в любой веб-проект гликоинформатики проста и понятна, как и большинство современных приложений JavaScript.

Статья: A.Y. Bochkov, Ph.V. Toukach. CSDB/SNFG Structure Editor: an online glycan builder with 2D and 3D structure visualization, Journal of Chemical Information and Modeling, 2021, 61, 4940-4948. DOI: 10.1021/acs.jcim.1c00917.