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Immobilization of hemoglobin I from Lucina pectinata in polymers: A prospective hydrogen sulfide scavenger
Vargas Santiago, Jennifer
Vargas Santiago, Jennifer
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Abstract
Extensive scientific data have shown that the physiological effects of hydrogen sulfide (H2S) depend on its concentrations in the body. However, the lack of an accurate method of quantification or biomarker has limited the discovery of the beneficial and detrimental quantities associated with various diseases. Research on the therapeutic use of H2S for various clinical applications is also limited by the fear of reaching dangerous thresholds of H2S concentrations in the body. This project provides the basis for developing different media in which H2S can be trapped and quantified in biological samples. Recombinant hemoglobin I (rHbI) from the clam Lucina pectinata has a high affinity for H2S, which makes it an attractive trapping medium. Therefore, rHbI was encapsulated in a silicon-based polymeric matrix and a three-dimensional collagen scaffold. Spectroscopic studies of rHbI encapsulated in tetramethyl orthosilicate (TMOS) demonstrate the ability of this hemeprotein chromophore to bind H2S. Fourier transform infrared (FTIR) and attenuated total reflection (ATR) spectroscopy analysis showed that the alpha helix is the predominant secondary structure, consistent with the values reported in the literature for the crystallographic structure of native HbI. These results revealed that encapsulation preserved the chromophore structure even in a crowded environment. Recombinant HbI immobilized in collagen also showed the ability to bind H2S by UV-Vis spectroscopy. Diffuse reflectance measurements transformed to Kubelka Munk units, analogous to UV-Vis, showed a linear correlation (R2=0.9987 and 0.9916) between absorption and concentrations of rHbI-H2O and rHbI-H2S, respectively, in a range of 1 to 35 μM. Therefore, the concentration of H2S can be determined by quantifying the rHbI-H2S complex, where one molecule of hemeprotein can bind only one molecule of H2S. The results suggest that rHbI can trap H2S without inducing structural changes. Our study provides insight into a novel method for immobilizing hemoproteins that can be used to develop an H2S biosensor using rHbI as a platform.
Amplia data cientÃfica ha demostrado que los efectos fisiológicos del sulfuro de hidrógeno (H2S) dependen de sus concentraciones en el cuerpo. Sin embargo, la falta de un método preciso o un biomarcador de este ha limitado el descubrimiento de las cantidades beneficiosas y perjudiciales asociadas a diversas enfermedades. Esto ha provocado que los estudios sobre el uso terapéutico de H2S en diversas aplicaciones clÃnicas se atrase por el miedo a cruzar el umbral de concentraciones peligrosas de H2S. Esto nos proveyó la base para evaluar distintos medios donde se pueda atrapar y cuantificar el H2S en muestras biológicas. La hemoglobina I recombinada (rHbI) de la almeja Lucina pectinata tiene una alta afinidad por H2S, la cual la hace un medio atractivo para atrapar el gas. Por lo tanto, rHbI fue encapsulada en una matriz poliméricas a base de silicio y en un andamio tridimensional de colágeno. Estudios cinéticos de la rHbI encapsulada en tetrametil ortosilicato (TMOS) demostraron la capacidad de esta proteÃna para enlazar H2S. El análisis de la espectroscopÃa infrarroja con transformada de Fourier (FTIR) y reflexión total atenuada (ATR) mostró que la hélice alfa es la estructura secundaria predominante, consistente con los valores reportados en la literatura para la estructura cristalina de HbI nativa. Estos resultados revelaron que la encapsulación preservó la estructura del cromóforo incluso cuando rHbI se encuentra en un ambiente con movimientos restringidos. HbI recombinada inmovilizada en colágeno también mostró la capacidad de enlazar H2S a través de espectroscopÃa UV-Vis. Medidas de reflectancia difusa transformadas a unidades de Kubelka Munk, análogas a UV-Vis, demostraron una correlación lineal (R2=0.9987 and 0.9916) entre la absorción y las concentraciones de rHbI-H2O and rHbI-H2S, respectivamente, en un rango de 1 a 35 μM. Por lo tanto, la concentración de H2S puede determinarse cuantificando el complejo rHbI-H2S, donde una molécula de hemoproteÃna puede unirse solo a una molécula de H2S. En general, estos resultados sugieren que la rHbI puede atrapar H2S sin inducir cambios estructurales. Nuestro estudio proporciona la base para una nueva inmovilización de hemoproteÃnas y desarrollar un biosensor de H2S utilizando rHbI como plataforma.
Amplia data cientÃfica ha demostrado que los efectos fisiológicos del sulfuro de hidrógeno (H2S) dependen de sus concentraciones en el cuerpo. Sin embargo, la falta de un método preciso o un biomarcador de este ha limitado el descubrimiento de las cantidades beneficiosas y perjudiciales asociadas a diversas enfermedades. Esto ha provocado que los estudios sobre el uso terapéutico de H2S en diversas aplicaciones clÃnicas se atrase por el miedo a cruzar el umbral de concentraciones peligrosas de H2S. Esto nos proveyó la base para evaluar distintos medios donde se pueda atrapar y cuantificar el H2S en muestras biológicas. La hemoglobina I recombinada (rHbI) de la almeja Lucina pectinata tiene una alta afinidad por H2S, la cual la hace un medio atractivo para atrapar el gas. Por lo tanto, rHbI fue encapsulada en una matriz poliméricas a base de silicio y en un andamio tridimensional de colágeno. Estudios cinéticos de la rHbI encapsulada en tetrametil ortosilicato (TMOS) demostraron la capacidad de esta proteÃna para enlazar H2S. El análisis de la espectroscopÃa infrarroja con transformada de Fourier (FTIR) y reflexión total atenuada (ATR) mostró que la hélice alfa es la estructura secundaria predominante, consistente con los valores reportados en la literatura para la estructura cristalina de HbI nativa. Estos resultados revelaron que la encapsulación preservó la estructura del cromóforo incluso cuando rHbI se encuentra en un ambiente con movimientos restringidos. HbI recombinada inmovilizada en colágeno también mostró la capacidad de enlazar H2S a través de espectroscopÃa UV-Vis. Medidas de reflectancia difusa transformadas a unidades de Kubelka Munk, análogas a UV-Vis, demostraron una correlación lineal (R2=0.9987 and 0.9916) entre la absorción y las concentraciones de rHbI-H2O and rHbI-H2S, respectivamente, en un rango de 1 a 35 μM. Por lo tanto, la concentración de H2S puede determinarse cuantificando el complejo rHbI-H2S, donde una molécula de hemoproteÃna puede unirse solo a una molécula de H2S. En general, estos resultados sugieren que la rHbI puede atrapar H2S sin inducir cambios estructurales. Nuestro estudio proporciona la base para una nueva inmovilización de hemoproteÃnas y desarrollar un biosensor de H2S utilizando rHbI como plataforma.
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Date
2022-12-09
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Protein immobilization, Recombinant HbI, Biopolymers, Hydrogen sulfide