Дэлгэрэнгүй мэдээлэл

The Dzungarian Basin between the Altai and the Tien Shan represents the transition between Middle and Central Asia. The region hosts special plant communities that are characterized by a combination of Kazakh-Dzungarian (Dzungario-Turanian) flora elements, which extend from Middle Asia, and typical Central Asian (semi-) desert species. For the present study, we aimed to understand the plant species composition and richness in these regions by calculating the Shannon-Wiener diversity index. We sampled 644 plots using a modified Braun-Blanquet approach. Most vegetation types were rather homogenous, and we therefore selected reléve sample of 10 x 10 m2 in size. All vascular plants were recorded along with their cover, which was estimated in absolute percentage. Sample sites were deliberately chosen to represent all relevant vegetation types, ranging from the desert to the higher mountains, and including azonal vegetation like oases. Based on our results we found four different main vegetation types (forest-steppe, steppe, desert and oasis) encompassing twenty-one communities with a total of 255 vascular plant taxa belonging to 142 genera and 41 families recorded. The results indicated that Geranio pseudosibirici-Laricetum sibiricae community in the forest steppe belt at 2430 m a.sl and Halerpesto-Hordeetum brevisubulati typicum in azonal vegetation had higher indices of diversity and richness whereas, lowest in Stipo glareosae-Anabasietum brevifoliae typicum in desert steppe at 1100 m a.s.l. Changes in elevation is associated with changes in precipitation, temperature, soil type, and other factors that influence in floristic diversity in plant communities. In conclusion, plant species diversity strongly correlated with altitude in the Dzungarian Gobi and South-Western Mongolian Altai region. To further understand plant species diversity in this region, it is necessary to conduct more comprehensive studies that incorporate various environmental variables. These variables may include precipitation, temperature, soil characteristics, and grazing intensity.

Сүүлийн жилүүдэд богино пептидүүдийн (2-5 амин хүчлээс тогтсон) сельфассемблинг (self-assembling) процесс, түүний үр дүнд үүссэн наноматериалын хэрэглээ судлаачдын сонирхлыг ихээр татаж байна. Богино пептидүүд орчноосоо хамааран янз бүрийн нанофибр, наносүв зэрэг бүтэц эсвэл гидрогелиүд үүсгэдэг. Пептидийг бүрдүүлж буй амин хүчлийн шинж чанарболон уусгагчийн концентраци ба шинж чанар зэрэг олон төрлийн хүчин зүйлс сельф-ассемблинг процесс болон үүсэх бүтцэд нөлөөлдөг. Пептидэд суурилсан эдгээр материалыг нанотехнологи, биотехнологи, анагаах ухаан зэрэг олон салбарт ашиглаж байна. Тухайлбал, пептидэд суурилсан гидрогелийг 2D принтерийн бэх, эсийн өсгөврийг тэжээлт орчин, эмийн молекул зөөвөрлөгч зэрэгт ашиглана. Сонирхолтой нь туйлт уусмал дахь сельф-ассемблинг процесст амин хүчлүүдийн гидрофоб харилцан үйлчлэл чухал үүрэгтэй. Тиймээс уг процесст гидрофоб амин хүчлийн үзүүлэх нөлөөг ойлгох нь чухал. Бид молекулын динамик симуляциар ароматик биш, гидрофоб амин хүчлээс тогтсон Val-Val-Ile (VVI) пептидийн уусмалаас хамаарсан сельф-ассемблинг процессыг судалж, атомын түвшинд тайлбарлав. Симуляцийн үр дүнд уг пептид нь сельф-ассемблинг болох нь термодинамикийн хувьд таатай бөгөөд усан орчин дахь чөлөөт энерги (∆G) нь ойролцоогоор -3 ккал/ моль байв. Этанол ба гексафторофорпанолын усан уусмалд чөлөөт энергийн утга буурч байсан нь сельф-ассемблинг процесс илүү таатай болж байгааг харуулав. Эдгээр чөлөөт энергийн утгууд нь өмнөх судлаачдын гүйцэтгэсэн туршилтын утгатай ойролцоо гарч байгаа нь тооцооллын үр дүн нарийвчлал сайтай болохыг харуулна. Мөн симуляцийн явцад β-ялтас хоёрдогч бүтэц үүсгэх эрмэлзлэлтэй байв. Эцэст нь Япон улсын Ёкохамагийн Их Сургуулийн профессор Изүрү Кавамүра профессортой хамтарсан туршилтаар VVI пептид уусмалаас хамааран нанофибр эсвэл гидрогель материал үүсгэж байгааг туршилтаар батлав.

Сүүлийн жилүүдэд тооцооллын биологи болон биоинформатикийн аргуудыг эмийн нээлт ба хөгжүүлэлтэд өргөн ашиглаж байна. Молекулын докинг болон виртуал скринингийн аргаар лиганд, жижиг молекулуудыг уурагтай хэрхэн харилцан үйлчлэхийг таамагладаг ба шинэ эмийн нээлт, загвар боловсруулахад хэрэглэдэг. Эм эсвэл лиганд молекулын бай уурагтай харилцан үйлчлэх боломжит байрлалыг тооцоолдог арга нь молекулын докинг бөгөөд олон тооны молекулуудыг лабораторийн туршилт хийхгүйгээр бай уурагтай харилцан үйлчлэх механизмыг тооцооллын шинэ эм болох боломжтой нэгдлүүдийг эрмбэлж өгдөг арга бол виртуал скрининг юм. Судлаачид болон эмийн компаниуд эдгээр аргыг шинэ эмийн нээлтэд ихээр ашиглах болсон. Жишээ нь ковид-19 өвчний эсрэг омипалисиб/ремдесивир, типифарниб/омипалисиб, типифарниб/ремдесивир гэсэн гурван эмийн хослол нь SARS-CoV-2-ыг дарангуйлах нөлөөтэй байж болохыг тооцоолсон үр дүнгүүдийг дурдаж болно. Дээрх аргууд нь бусад өвчний эсрэг шинэ эмийн молекулыг санал болгоход чухал ач холбогдолтой юм. Энэ ажлаар дээрх виртуал скринингийн аргыг ашиглан SARS-CoV-2 вирусын Mpro уургийн эсрэг үйлчлэх боломжит эмийг илрүүлэх жишиг ажлыг танилцуулав. ZINC нэгдлийн сангаас 1366 жижиг молекулыг бүтцийг татан авч SARSCoV-2 Mpro уурагтай харилцан үйлчлэх энергийг тооцоолон, уургийн идэвхийг дарангуйлах боломжтой молекулуудыг илрүүлэв.

Биоинформатик нь биологи болон анагаах ухааны салбарын судалгааны үр дүнд бий болсон өгөгдлийг ойлгоход зориулсан арга болон программуудыг хөгжүүлдэг биологи, компьютерийн ухаан, статистик зэрэг олон салбар дундын шинжлэх ухаан юм. Энэ салбар нь сүүлийн жилүүдэд эрчимтэй хөгжиж байгаа бөгөөд гол шалтгаануудын нэг нь салбар дундын шинж чанар мөн. Хожуу үеийн дараалал тодорхойлох аргууд, масс спектрометр зэрэг өндөр бүтээмжтэй технологийн дэвшил нь асар их хэмжээний биологийн өгөгдлийг бий болгосоор байна. Эдгээр их өгөгдлийг хадгалах, анализ хийх, ойлгох зэрэгт биоинформатикийн программ хангамж, үр бүтээмжтэй алгоритмууд зайлшгүй хэрэгтэй. Иймээс 21-р зууны биологийн судалгааг биоинформатикийн анализгүйгээр төсөөлөх аргагүй юм. Цаашлаад машин сургалт, хиймэл оюуны технологийн эрчимтэй хөгжил нь биологийн их өгөгдлийг ойлгох, дүн шинжилгээ хийх, загварчлахад ашиглагдаж байна. Тухайлбал уургийн бүтцийг таамаглах AlphaFold технологи юм. Цаашлаад уураг-уургийн харилцан үйлчлэл, бодисын солилцооны замын анализ, эмийн бай уургийг таних, өвчний механизмыг илрүүлэх зэрэг олон төрлийн судалгаанд хиймэл оюун, машин сургалтын аргуудыг ашигласан хөгжүүлэлтүүд хийгджээ. Иймээс биоинформатик нь ирээдүйтэй бөгөөд хэрэгцээ шаардлага өндөртэй салбар болохыг онцлох нь зүйтэй. МУИС-д 2005 оноос тухайн үеийн Биологийн факультетын Биофизикийн тэнхим доктор, профессор П.Энхбаярын ахалсан судалгааны баг бүтцийн биоинформатикийн чиглэлийн судалгаа гүйцэтгэж эхэлсэн. Үүний зэрэгцээ биоинформатикч хүний нөөц бэлтгэх сургалтыг 2008 оноос магистрын түвшинд хичээл заахаас эхэлж, 2009 оноос бакалаврын түвшний сургалтад албан ёсоор оруулсан. Энэ хугацаанд нийт 50 гаруй биоинформатикч бакалавр, 20 гаруй магистр боловсон хүчин бэлдэв. Эдгээр төгсөгчид ШУА-ийн Физик, технологийн хүрээлэн, Математик, тоон технологийн хүрээлэн, Биологийн хүрээлэн зэрэг судалгааны байгууллагуудад ажиллаж байгаагаас гадна, хоёр төгсөгч Тайвань Улсад докторантаар суралцаж байна. Гурван судлаач биоинформатикийн чиглэлээр судалгаа хийж докторын зэрэг хамгаалсан ба МУИС, АШУҮИС, МУБИС-д багш, судлаачаар ажиллаж байна. МУИС-ийн Биоинформатик, системийн биологийн лабораторийн гишүүд нийт 100 шахам судалгааны өгүүлэл хэвлүүлснээс 30 гаруй өгүүлэл олон улсын хянан магадлагаа хийгддэг сэтгүүлд хэвлүүлсэн ба нийт 2,700 гаруй эшлэгдээд байна. Эдгээрээс Cell, Nature Nanotechnology, ACS Physical Chemistry B, Proteins, Proteins & Proteomics BBA зэрэг олон сэтгүүлүүдэд нэгдүгээр, хамтран, холбоо баригч зохиогчоор судалгааны ажлаа хэвлүүлсэн. Энэ нь бидний судалгааны ажил Монголын болон дэлхийн шинжлэх ухаанд тодорхой хувь нэмэр оруулж байгааг харуулна. Бид цаашид биоинформатикийн сургалтыг олон улсын стандартад нийцүүлэн үргэлжлүүлэх, биологи, анагаах ухааны сургалт, судалгаатай нийцсэн агуулгаар үргэлж шинэчлэн хөгжүүлж байх нь чухал. Цаашлаад биологи болон эрүүл мэндийн салбарын дотоодын судалгааны өгөгдлийг хиймэл оюун, машин сургалтын аргуудтай хослуулсан шинэ технологиудыг хөгжүүлэх чадварлаг боловсон хүчнийг бэлтгэх шаардлагатай. Мөн дотоод, гадаадын хамтын ажиллагаагаа улам өргөжүүлж, эх орны хэрэгцээ шаардлагад нийцсэн судалгааны ажил хийж гүйцэтгэх зорилготой ажиллаж байна.

The sexual transmission of HDV is largely speculative. There is a very limited number of studies showing solid evidence for sexual transmission of HDV. The aim of this study is to screen the presence of HDV-RNA in male seminal fluid and female cervical swab samples. Our study was conducted for a total of 61 participants, which included 31 males and 30 females. Viral RNA was isolated from the blood, seminal fluid, and cervical swab samples from the respective participants. RT-PCR analysis of HDV-RNA was done for all samples isolated from blood, seminal fluid, and cervical swab samples. The results were expressed as statistical points including odds ratios (OR), Pearson’s chi-squared test with Yates’ continuity correction, and correlation coefficient (R2). HDV-RNA detection rate is different for the samples from male and female. In the male cohort, 48.38% of seminal fluid samples were positive whereas 80% were positive for cervical swab samples from the female cohort. The data shows a statistically significant difference between genders for the presence of HDV-RNA in seminal fluid and cervical swab (OR=0.234, 95% CI= 0.749-0.7306). Also, Pearson’s chi-squared test showed that there is a sufficient association between the degree of infectiousness and gender (5.3079, df = 1, p-value = 0.02123). A significant correlation was found between blood HDV-RNA quantity and HDV-RNA presence status in cervical swab samples (R2=0.7769). However, no such significant correlation was found for males (R2=0.0163). Overall, these findings provide substantial evidence of the potential risk of sexual transmission of HDV for each gender.

Amyloid beta-42 peptides self-assemble into oligomeric fiber structures, which are hallmarks of Alzheimer's disease [1]. The formation of Ab42 oligomers are mediated by intermolecular interactions in which the C terminus plays a central role [2,3]. We hyphoesized that Val39-Val40-Ile41 (VVI) tripeptides derived from the C terminus of Ab42 may aggregate into oligomers, disrupt their structure, and thereby inhibit their toxicity. To investigate the self-assembly of both charged and uncharged VVI tripeptides, we conducted molecular dynamics simulations. Our observations revealed that charged VVI peptides formed two layer structures, suggesting a crucial segment for the self-assembling process of Ab42. Consequently, derivatives of VVI peptides may serve as novel inhibitors of Ab42 assembly.

Хураангуй: COVID-19 өвчний үүсгэгч SARS-CoV-2 вирус нь 2019 оны 12 сараас эхлэн дэлхий даяар тархаад байна. SARS-CoV-2 вирус нь төрөлхийн болон өвөрмөц дархлааны системийг идэвхжүүлдэг ба идэвхжүүлэх зам одоо ч бүрэн ойлгогдоогүй байна. Сүүлийн үеийн судалгаагаар SARS-CoV-2 вирусийн спайк уураг нь хүний толл-төст рецептор 4 уурагтай харилцан үйлчлэх замаар төрөлхийн дархлааны хариу үйлдлийг өдөөж, олон төрлийн цитокинуудын хэт их нийлэгжлийг идэвхжүүлдэг болохыг харуулсан. Цитокинуудын хэт их нийлэгжил нь COVID19-тэй өвчтөний хүндрэлийн зэргийг нэмэгдүүлдэг. Гэсэн хэдий ч спайк уураг болон хүний TLR4 уураг хоорондын харилцан үйлчлэлийн талаар атомын түвшинд нарийн тайлбарлаагүй байна. Энэ ажлаар SARS-CoV-2 вирусийн спайк уураг ба хүний TLR4 уураг хоорондын харилцан үйлчлэлийг молекулын динамик симуляцийн аргаар судлав. Симуляциар SARS-CoV-2 вирусийн спайк уургийн ялгаатай хоёр гинжний амин төгсгөлийн домеин ба рецепторт холбогдогч домеин хамтарч хүний TLR4 уурагтай холбогдож болохыг харуулав. Энэ үр дүн SARS-CoV-2 вирусийн спайк уураг болон хүний TLR4 уураг хоорондын харилцан үйлчлэлийн механизмыг ойлгоход чухал мэдээлэл болно.

Амилойд бета (A) пептид нь амилойд прекурсор уургийн хуваагдлаас үүсдэг 40-42 амин хүчлийн урттай пептидүүд юм. Альцгеймерийн өвчний үед Aβ пептидүүд нь олноороо цугларч, фибрил үүсгэдэг бөгөөд энэ нь тус өвчний молекул шинж тэмдэг болдог. Фибрил бүтэц үүсэх шалтгаан болон процесс нь одоо ч бүрэн тодорхой болоогүй байна. Уг пептидийн дараалалд хэд хэдэн гидрофоб амин хүчлээс тогтсон хэсэг байх ба 39-41 дугаар байрлал дахь Val-Val-Ile (VVI) амин хүчлүүд нь гидрофоб чанар хамгийн өндөр хэсэг бөгөөд селф-ассемблинг процессод чухал үүрэгтэй байж болох юм. Бид энэ ажлаар VVI трипептидийн сельф-ассемблинг процессыг молекулын динамик симуляцийн аргаар тооцоолов. Симуляцийн явцад VVI трипептид нь N- болон С- төгсгөлүүдээсээ хамааран ялгаатай димер бүтцийг үүсгэж байна. Үүссэн димер бүтцийн хувьд хоёр пептидийн хоорондох холбоосын энерги ойролцоогоор -3 ккал/моль байв. Энэ нь VVI трипептидийн сельф- ассемблинг процесс аяндаа явагдахыг харуулж байна. Димер бүтцийн амин хүчлийн хавтгай хоорондох өнцгүүдийн утгаас харвал бета-ялтас (β-sheet) хоёрдогч бүтэц үүсгэж байна. Энэ нь туршлагаар тодорхойлогдсон Aβ бүтэцтэй ойролцоо утгатай байна. Эдгээр үр дүн нь VVI хэсэг нь Aβ сельф-ассемблинг процессод чухал үүрэгтэй байж болохыг харуулж байна. Цаашлаад VVI богино пептид дээр суурилсан амилоид фибрил үүсэх процессыг саатуулах эмийн молекулыг загварчлахад чухал юм.

Уургийн хеликсийн α, 310, ω, π, PPII гэсэн төрлүүд байдаг ба эдгээрээс α-, 3(10)-, ω-, π- төрлийн хеликсүүд ихэвчлэн баруун эргэлттэй, үндсэн хэлхээний карбоксил групп ба амид группын хоорондын устөрөгчийн холбоогоор тогтворжиж байдаг. α-, 3(10)-, ω-, π- төрлийн хеликсүүдийн тогтворжилт, уурагт байх давтамж, хеликсийн параметрүүдийг бид өмнөх ажлуудаараа судалсан. Харин уургийн полипролин II (PPII) хеликс нь зүүн эргэлттэй ба үндсэн хэлхээний карбоксил групп ба амид группын хооронд устөрөгчийн холбоо байдаггүйгээрээ бусдаасаа онцлог юм. Уургийн зөвхөн цөөн тооны зарим PPII хеликсийн параметрүүдийг өмнө судалсан байдаг ба идеаль PPII хеликсийг тодорхойлогч φ, ψ өнгийн утгуудыг янз бүрээр тодорхойлон бичсэн байна. Бид энэ ажлаараа PDB өгөгдлийн сангаас өндөр нарийвчлалтай (Нарийвчлал ≤ 2.0Е) тодорхойлогдсон, давтагдаагүй (ялгаа ≥ 80%) нийт 6045 уургийн бүтцийг сонгон авч, DSSP-PPII програмаар PPII хеликсийн оноолт хийж, HELFIT програмаар хеликсийн параметрүүдийг тодорхойллоо. HELFIT програм нь хеликсийн нэг эргэлтэд оногдох тэнхлэгийн дагуух шилжилт (P), хеликсийн радиус (R), нэг эргэлтэд оногдох амин хүчлийн тоо (n), нэг амин хүчилд оногдох тэнхлэгийн дагуух шилжилт (Δz), хеликсийн алдаа (p=RMSD/(N-1)) гэсэн параметрүүдийг тодорхойлно. Энд, RMSD нь Root Mean Squares Deviation буюу өгөгдлийн цэгүүдээс хеликс хүртэлх стандарт хазайлт, N – хеликсийн урт юм. p ≤0.10 Е байвал регуляр хеликс, p >0.10 Е байвал иррегуляр хеликс гэж үзнэ. Мөн 5-10 амин хүчлээс тогтсон α, 310 болон PPII хеликсүүдийг тогтворжилтын молекулын динамик симуляцийн аргаар тодорхойлов. 6045 уургийн гинжнээс 1135 нь PPII хеликс агуулж байсан ба DSSP-PPII програмаар 4-23 амин хүчлийн урттай нийт 1384 PPII хеликс тодорхойлогдов. HELFIT програмаар 972 регуляр, 418 иррегуляр PPII хеликс тодорхойлогдсон ба хеликс урт болох тусам иррегуляр хеликсийн хувь өсөж байв. PPII хеликсийн дундаж P=9.05 Е, R=1.41 Е, n=3.09, Δz=2.08 Е, p=0.17 Е байлаа. Мөн хеликсийн тоо (давтамж) болон хеликсийн17 Биологи, Биотехнологийн судалгаа 80 жил эрдэм шинжилгээний хурал параметрүүд хеликсийн уртаас тодорхой зүй тогтлоор хамаарч байна. Бусад төрлийн хеликсүүд дээр Δz ба R–ийн хоорондын хамаарал шугаман хуулиар илэрхийлэгддэг бол PPII хеликсийн хувьд ерөнхий тохиолдолд шугаман хамаарал биелэхгүй байна. Эдгээр нь PPII хеликсийн илүү уян налархай шинж чанартай холбоотой байж болох юм. Мөн молекулын динамик симуляцийн тооцоогоор цөөн амин хүчлээс тогтсон PII хеликс хамгийн сайн тогтворжилттой (PPII>3(10)>α) байсан бол эсрэгээрээ урт хеликсийн хувьд α-хеликс хамгийн тогтвор сайтай (PPII<3(10)<α) байв.

Уургийн хеликчийн төрлүүдээс зүүн эргэлттэй ба үндсэн хэлхээний карбоксил групп ба амид группийн хооронд устөрөгчийн холбоо байдаггүйгээрээ онцлог. Энэ ажлаар өгөгдлийн сангаас өндөр нарийвчлалтай тодорхойлогдсон утгуудыг сонгон авч HELFIT программ ашиглан хеликсийн параметрүүдийг тодорхойллоо.

Сүүлийн жилүүдэд гидрофоб амин хүчлээс тогтсон пептидүүд нь бактерийн эсрэг идэвх болон хорт хавдрын эсрэг үйлчлэлтэй болох нь тогтоогдсон. Энэ төрлийн пептидүүд нь усан орчинд өөрөө угсрагдах буюу сельф- ассемблинг процесс явагдаж эрэмбэлэгдсэн цогц бүтэц үүсгэдэг. Өөрөөр хэлбэл гидрофоб богино пептидүүд олноороо цугларч тогтворжилт сайтай, дулаанд тэсвэртэй эрэмбэлэгдсэн бүтэц үүсгэдэг. Сельф-ассемблинг процессод пептидүүд хоорондын устөрөгчийн холбоо, амин хүчлийн хажуугийн хэлхээнүүдийн гидрофоб харилцан үйлчлэл чухал үүрэгтэй. Молекулын динамик симуляцийн арга нь аливаа биологийн молекулын үзэгдлийг атомын түвшинд тайлбарлах боломж олгодог. Иймээс судлаачид сельф-ассемблинг процессыг нарийн ойлгохын тулд МД симуляцийн аргыг өргөн хэрэглэх болсон. Энэ ажлаар гидрофоб дипептидүүдийг сельф- ассемблинг процессын анхан шатны цуглах үзэгдлийг МД симуляцийн аргаар тайлбарлах ба амин хүчлийн стереохимийн ялгааг харуулна. Тодруулбал стереохимийн хувьд ялгаатай фенилаланин-фенилаланин (L-Phe-L-Phe, L-Phe-D-Phe, D-Phe-L-Phe, D-Phe-D-Phe) болон фиренилаланин- фенилаланин (L-Pyr-L-Phe, D-Pyr-L-Phe) дипептидийн сельф-ассемблинг процессыг атомын түвшинд тайлбарлав. Одоогоор L-Phe-L-Phe, D-PheD-Phe пептидийн хувьд кристалл бүтэц нь тодорхойлогдсон бөгөөд 5 утаслагтай хеликс гэж үзэж болох наносүв бүтэцтэй. Харин L-Phe-D-Phe, D-Phe-L-Phe дипептидийн бүтэц туршилтаар тодорхойлогдоогүй бөгөөд МД симуляцийн үр дүнгээр уг хоёр пептид гуравласан хеликс бүтэцтэй байж болохыг тооцоолов. L-Phe-L-Phe (D-Phe-D-Phe) ба L-Phe-D-Phe (D-Phe-L-Phe) дипептидүүдийн харгалзан 5 болон 3 утаслагтай наносүв үүсгэж байгаа нь пептидийн димер бүтцийн ялгаанаас үүдэлтэй болохыг тодорхойлов. Мөн амин хүчлийн стереохими нь эрэмбэлэгдсэн хеликс бүтцийн эргэлтийг чиглэлийг тодорхойлж болохыг үзүүлэв

Transmembrane nanopore structures have been employed in fields of single-molecule detection and DNA sequencing. In recent years, engineered nanopores have been advanced to tailor the size and shape of the pore to detect the target molecules such as DNA, proteins, and peptides. For the construction of the artificial nanopore with the α-helix structure, which is the major secondary structure of the transmembrane domain of natural membrane proteins, has great potential for the nanopore sensing. Therefore, recent studies have reported the redesigned transmembrane α-helix bundles or the de novo designed α-helical barrels. We have also developed the de novo design of pore-forming α-helix peptides using combinations of packing motifs and intermolecular interactions to control the structure of nanopore. Four types of α-helix peptides regarding three strategies were designed. First, we set amino acids to form an amphiphilic helix for pore-formation in lipid bilayer. Second, helix packing motifs (GX3G, GX6G, GX2GX3G, and none) as a helical interface were placed in the middle of the helix. Third, electrostatic interaction and π-π stacking were incorporated to enhance monomers association. We evaluated pore-forming activities of peptides by channel current measurement and current analysis. As results, the circular dichroism spectrum showed α-helix structures of designed peptides. The channel current measurement and current signal classification analysis revealed that only peptides with the packing motifs formed stable pores. Moreover, we conducted molecular dynamics simulations of peptides, the results indicated the packing motifs were worked to decide helical conformation and the side-chain interactions also supported the association of helices. For the next, we will control the pore size by optimizing the amino acid sequence.

Ketoprofen (KP) is one of the most popular nonsteroidal anti-inflammatory drugs; however, drug-induced photosensitivity of KP has been reported as a serious adverse effect. KP incorporated into a protein can produce an allergen under UV irradiation, which causes drug-induced photosensitivity. The photochemistry of KP with 20 kinds of proteinogenic amino acids in phosphate buffer solutions at pH 7.4 was studied by transient absorption spectroscopy. The KP carboxylate anion (KP–) gave rise to a carbanion via a decarboxylation within a laser pulse, and the carbanion yielded 3-ethylbenzophenone ketyl biradical (3-EBPH) through a proton transfer reaction. Twelve kinds of proteinogenic amino acids obviously accelerated the reaction. Structural information on the complexes of KP docked in the binding sites of human serum albumin (HSA) was obtained by molecular mechanics (MM) and molecular dynamics (MD) calculations. The photochemical reaction of KP– with amino acid residues in HSA was discussed on the basis of the experimental and calculational results. The information on the reactivity of KP with the amino acids and the stable structures of the KP-HSA complexes should be essential for understanding of the initial step for drug-induced photosensitivity.

The amino-acid sequence of a protein encodes information on its three-dimensional structure and specific functionality. De novo design has emerged as a method to manipulate the primary structure for the development of artificial proteins and peptides with desired functionality. This paper describes the de novo design of a pore-forming peptide, named SV28, that has a β-hairpin structure and assembles to form a stable nanopore in a bilayer lipid membrane. This large synthetic nanopore is an entirely artificial device for practical applications. The peptide forms multidispersely sized nanopore structures ranging from 1.7 to 6.3 nm in diameter and can detect DNAs. To form a monodispersely sized nanopore, we redesigned the SV28 by introducing a glycine-kink mutation. The resulting redesigned peptide forms a monodisperse pore with a diameter of 1.7 nm leading to detection of a single polypeptide chain. Such de novo design of a β-hairpin peptide has the potential to create artificial nanopores, which can be size adjusted to a target molecule.

Microwave heating is widely used to accelerate the organic synthesis reaction. However, the role of the nonthermal microwave effect in the chemical reaction has not yet been well characterized. The microwave heating processes of an ethanol–hexane mixed solution were investigated using in situ microwave irradiation nuclear magnetic resonance spectroscopy and molecular dynamics (MD) simulation. The temperature of the solution under microwave irradiation was estimated from the temperature dependence of the 1H chemical shifts (chemical shift calibrated (CSC)-temperature). The CSC-temperature increased to 58 °C for CH2 and CH3 protons, while it increased to 42 °C for OH protons during microwave irradiation. The CSC-temperature of CH2 and CH3 protons reflects the bulk temperature of solution by the thermal microwave effect. The lower CSC-temperature of the OH proton can be attributed to a nonthermal microwave effect. MD simulation revealed that electron dipole moments of OH groups ordered along the oscillated electric field decreased the entropy by absorbing microwave energy and simultaneously increased the entropy by dissipating energy to the solution as the thermal and nonthermal microwave effect. Ordered polar molecules interact to increase hydrogen bonds between OH groups as the nonthermal microwave effect, which explains the lower CSC-temperature of the OH protons. The nonthermal microwave effects contribute to the intrinsic acceleration of the organic reaction.

The design and control of self-assembling biomaterials have significantly attracted attention over the last decades because of their broad ranges of applications. Here, we introduce the self-assembled fibers of the pyrene connected dipeptides, l-pyrenylalanine-l-phenylalanine (l-Pyr-l-Phe) and d-pyrenylalanine-l-phenylalanine (d-Pyr-l-Phe), and their structural analysis using experimental and computational techniques. While l-Pyr-l-Phe self-assembled into solid fibers, d-Pyr-l-Phe self-assembled into hydrogels with different morphologies. Fluorescence spectroscopy revealed monomer and red-shifted excimer emissions of the self-assembled l-Pyr-l-Phe and d-Pyr-l-Phe dipeptide nanostructures, respectively. This result was related to different 13C and 15N solid-state nuclear magnetic resonance (NMR) data on the backbone and side-chains of the self-assembled dipeptides. Molecular dynamics simulations demonstrated detailed information about the chirality effects of the dipeptides on their self-assembled structures.

Several D-amino acid-containing peptides (DAACPs) with antimicrobial, cardio-excitatory, or neuronal activities have been found in several species. Here, we demonstrated the chiral separation of the antimicrobial peptide diastereomers, D-phenylseptin and L-phenylseptin using (S) and (R) 3,3′-phenyl-1,1′-binaphthyl-18-crown-6-ether columns (CR-I (+) and CR-I (−), respectively) and also investigated the underlying mechanism. First, using D-amino acid-containing tripeptide Phe-Phe-Phe-OH, we found that CR-I (+) could be used to recognize diastereomeric tripeptides containing an L-amino acid as the first residue. On the contrary, CR-I (−) enabled separation of a series of diastereomers with D-amino acid as the first residue. Therefore, we achieved separation of the stereoisomers using the chiral columns depending on the position of the D- amino acid in the peptide and demonstrated the orthogonality of separations of the chiral columns. Then, using CR-I (+), we separated amphibian antimicrobial peptide diastereomers, L- and D-phenylseptin, which have the sequences, L-Phe-L-Phe-L-Phe and L-Phe-D-Phe-L-Phe at their N-termini, respectively. In order to understand the host-guest interactions, we performed molecular dynamics simulations for L-Phe-L-Phe-L-Phe tripeptide-CR-I molecule complex systems. Three hydrogen bonds between the N-terminal amine group -NH3+ and the crown ether oxygens were the dominant interactions. The hydrophobic interactions between phenyl-rings in the chiral selector unit of CR-I (+) and the side chains of 2nd and 3rd residues of the peptide also contributed to the affinity. Our results show that the CR-I (+)-column can be applied for the separation of endogenous DAACPs generated by the post-translational modification.

L-phenylseptin (L-Phes) and D-phenylseptin (D-Phes) are amphibian antimicrobial peptides isolated from the skin secretion of Hypsiboas punctatus. In the N-termini, L-Phes and D-Phes contain three consecutive phenylalanine residues, l-Phe-l-Phe-l-Phe and l-Phe-d-Phe-l-Phe, respectively. They are known to exhibit antimicrobial activity against Staphylococcus aureus, Escherichia coli, Pseudomonas aeruginosa, and Xanthomonas axonopodis pv. Glycines. However, their mechanism of action and the role of the D-amino acid residue have not been elucidated yet. In this study, the interactions of both peptides with 1,2-dimyristoyl-sn-glycero-3-phosphocholine (DMPC) were investigated by means of quartz crystal microbalance, circular dichroism, vibrational circular dichroism, 31P solid-state NMR,and molecular dynamics simulation. Both peptides have similar binding constants to the DMPC lipid bilayers, in the order of 106M−1, and form anα-helix structure in the DMPC lipid bilayers. Both the peptides induce similar changes in the dynamics of DMPC lipids. Thus, in spite of the difference in the conformations caused by the chirality at the N-terminus, the peptides showed similar behavior in the membrane-bound state, experimentally and computationally.

Solid-state nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy provides significant structural information regarding the conformation and dynamics of a variety of solid samples. In this study, we recorded the 13C and 15N solid-state NMR spectra of a self-assembled isoleucine-phenylalanine (Ile–Phe–OH) dipeptide. Immediately after the addition of hexane to a solution of concentrated peptide in ethyl acetate, the peptide visually aggregated into a nanofiber. Then, we obtained well-resolved 13C and 15N NMR signals of the natural, isotopic-abundant Ile–Phe–OH peptide in the nanofiber. Furthermore, we calculated the chemical shift values of the reported crystal structure of the Ile–Phe dipeptide via the density functional theory (DFT) calculation and compared these results with the experimental values. Notably, the two sets of values were in good agreement with each other, which indicated that the self-assembled structure closely reflected the crystal structure. Therefore, herein, we demonstrated that solid-state NMR characterization combined with DFT calculations is a powerful method for the investigation of molecular structures in self-assembled short peptides.

Bombinin H4 is an antimicrobial peptide that was isolated from the toad Bombina variegata. Bombinin H family peptides are active against gram-positive, gram-negative bacteria, and fungi as well as the parasite Leishmania. Among them, bombinin H4 (H4), which contains d-allo-isoleucine (d-allo-Ile) as the second residue in its sequence, is the most active, and its l-isomer is bombinin H2 (H2). H4 has a significantly lower LC50 than H2 against Leishmania. However, the atomic-level mechanism of the membrane interaction and higher activity of H4 has not been clarified. In this work, we investigated the behavior of the conformations and interactions of H2 and H4 with the Leishmania membrane using 31P solid-state nuclear magnetic resonance (NMR), vibrational circular dichroism (VCD) spectroscopy, and molecular dynamics (MD) simulations. The generation of isotropic 31P NMR signals depending on the peptide concentration indicated the abilities of H2 and H4 to exert antimicrobial activity via membrane disruption. The VCD experiment and density functional theory calculation confirmed the different stability and conformations of the N-termini of H2 and H4. MD simulations revealed that the N-terminus of H4 is more stable than that of H2 in the membrane, in line with the VCD experiment data. VCD and MD analyses demonstrated that the first l-Ile and second d-allo-Ile of H4 tend to take a cis conformation. These residues function as an anchor and facilitate the easy winding of the helical conformation of H4 in the membrane. It may assist to quickly reach to the threshold concentration of H4 on the Leishmania membrane. This article is part of a Special Issue entitled: d-Amino acids: biology in the mirror, edited by Dr. Loredano Pollegioni, Dr. Jean-Pierre Mothet and Dr. Molla Gianluca.