Повышение чувствительности иммунохроматографического анализа для определения пенициллина в молоке за счет ориентированной иммобилизации пенициллин-связывающего белка на поверхности коллоидного золота

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Проведено сравнение чувствительности конкурентного иммунохроматографического анализа (ИХА) для определения пенициллина в молоке с применением конъюгатов коллоидного золота (КЗ) с рекомбинантным пенициллин-связывающим белком (ПСБ), приготовленных двумя методами – пассивной неориентированной иммобилизацией или посредством ориентированной иммобилизации при помощи антител к гистидиновой метке. Предел обнаружения оптимизированного ИХА с неориентированной иммобилизацией ПСБ составил 5 нг/мл. Используя ориентированную иммобилизацию ПСБ за счет антител к гистидиновой метке, удалось достичь предела обнаружения до 0.3 нг/мл при визуальной интерпретации. Время проведения анализа составило 10 мин. Проведено сравнение эффективности двух методов иммобилизации ПСБ. Показано, что увеличение чувствительности анализа обусловлено улучшением ориентации ПСБ и одновременным уменьшением количества связывающих сайтов на КЗ. Таким образом, ориентированная иммобилизация специфических белков на сенсорных поверхностях с использованием антител к гистидиновой метке может увеличить чувствительность анализа и одновременно уменьшить количество используемых биоспецифических реагентов. Данный подход может быть применен для простой конъюгации рекомбинантных белков с гистидиновой меткой с наночастицами.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

И. В. Максин

МИРЭА – Российский технологический университет (Институт тонких химических технологий им. М.В. Ломоносова); ООО “РАПИД БИО”

Автор, ответственный за переписку.
Email: maxinivanv@gmail.com
Россия, просп. Вернадского, 86, 119571 Москва; Большой бульвар, 42, стр.1, 121205 Москва

А. Куандыкова

ООО “РАПИД БИО”

Email: maxinivanv@gmail.com
Россия, Большой бульвар, 42, стр.1, 121205 Москва

Т. А. Лузянин

МИРЭА – Российский технологический университет (Институт тонких химических технологий им. М.В. Ломоносова); ООО “РАПИД БИО”

Email: maxinivanv@gmail.com
Россия, просп. Вернадского, 86, 119571 Москва; Большой бульвар, 42, стр.1, 121205 Москва

В. С. Иванов

ООО “РАПИД БИО”

Email: maxinivanv@gmail.com
Россия, Большой бульвар, 42, стр.1, 121205 Москва

Ю. Г. Кириллова

МИРЭА – Российский технологический университет (Институт тонких химических технологий им. М.В. Ломоносова)

Email: maxinivanv@gmail.com
Россия, просп. Вернадского, 86, 119571 Москва

Г. А. Хунтеев

ООО “РАПИД БИО”

Email: maxinivanv@gmail.com
Россия, Большой бульвар, 42, стр.1, 121205 Москва

Список литературы

  1. Chen J., Ying G.G., Deng W.J. Antibiotic residues in food: Extraction, analysis, and human health concerns // J. Agric Food Chem. 2019. V. 67. № 27. P. 7569. https://doi.org/10.1021/acs.jafc.9b01334
  2. О безопасности пищевой продукции (ТР ТС 021/2011) [Электронный ресурс]. https://eec.eaeunion.org/comission/department/deptexreg/tr/PischevayaProd.php (9 сентября, 2024).
  3. Kharewal T., Verma N., Gahlaut A., Hooda V. Biosensors for penicillin quantification: A comprehensive review // Biotechnol. Lett. 2020. V. 42. № 10. P. 1829. https://doi.org/10.1007/s10529-020-02970-6
  4. Li H., Xu B., Wang D., Zhou Y., Zhang H., Xia W., Xu S., Li Y. Immunosensor for trace penicillin G detection in milk based on supported bilayer lipid membrane modified with gold nanoparticles // J. Biotechnol. 2015. V. 203. P. 97. https://doi.org/10.1016/j.jbiotec.2015.03.013
  5. Pollap A., Kochana J. Electrochemical immunosensors for antibiotic detection // Biosensors (Basel). 2019. V. 9. № 2. Article 61. https://doi.org/10.3390/bios9020061
  6. Berlina A.N., Bartosh A.V., Zherdev A.V., Eremin S.A., Dzantiev B.B. Management of factors for improving antigen–antibody interaction in lateral flow immunoassay of tetracycline in human serum samples // Biomed. Pharmacol. J. 2019. V. 12. № 1. P. 17. https://doi.org/10.13005/bpj/1609
  7. Ahmed S., Ning J., Peng D., Chen T., Ahmad I., Ali A., Lei Z., Abu bakr Shabbir M., Cheng G., Yuan Z. Current advances in immunoassays for the detection of antibiotics residues: A review // Food Agric. Immunol. 2020. V. 31. № 1. P. 268. https://doi.org/10.1080/09540105.2019.1707171
  8. Han M., Gong L., Wang J., Zhang X., Jin Y., Zhao R., Yang C., He L., Feng X., Chen Y. An octuplex lateral flow immunoassay for rapid detection of antibiotic residues, aflatoxin M1 and melamine in milk // Sens. Actuators B: Chem. 2019. V. 292. P. 94. https://doi.org/10.1016/j.snb.2019.04.019
  9. Pietschmann J., Dittmann D., Spiegel H., Krause H.J., Schröper F. A novel method for antibiotic detection in milk based on competitive magnetic immunodetection // Foods. 2020. V. 9. № 12. Article 1773. https://doi.org/10.3390/foods9121773
  10. Hemeda S.M., Sayed R.H., Hassan H., Sheima A.E., Aboul-Ella H., Soliman R. Development of colloid gold-based lateral flow immunochromatographic kits for screening and rapid detection of beta-lactams antibiotic residues in dairy milk // Adv. Anim. Vet. Sci. 2022. V. 10. № 7. P. 1616. https://doi.org/10.17582/journal.aavs/2022/10.7.1616.1622
  11. Lata K., Sharma R., Naik L., Rajput Y.S., Mann B. Lateral flow assay–based rapid detection of cephalexin in milk // J. Food Qual. 2016. V. 39. № 1. P. 64. https://doi.org/10.1111/jfq.12175
  12. Zhang X., Zhao F., Sun Y., Mi T., Wang L., Li Q., Li J., Ma W., Liu W., Zuo J., Chu X., Chen B., Han W., Mao Y. Development of a highly sensitive lateral flow immunoassay based on receptor-antibody-amorphous carbon nanoparticles to detect 22 β-lactams in milk // Sens. Actuators B: Chem. 2020. V. 321. Article 128458. https://doi.org/10.1016/j.snb.2020.128458
  13. Chen Y., Wang Y., Liu L., Wu X., Xu L., Kuang H., Li A., Xu C. A gold immunochromatographic assay for the rapid and simultaneous detection of fifteen β-lactams // Nanoscale. 2015. V. 7. № 39. P. 16381. https://doi.org/10.1039/c5nr04987c
  14. Серченя Т.С., Семижон П.А., Счесленок Е.П., Горбачева И.В., Вашкевич И.И., Свиридов О.В. Метод количественного определения активного рецептора бета-лактамных антибиотиков Blar-CTD для биоаналитического применения // Журн. прикл. биохимии и микробиол. 2023. Т. 59. № 1. C. 81. https://doi.org/10.31857/S0555109923010105 (Serchenya T.S., Semizhon P.A., Schaslionak A.P., Harbachova I.V., Vashkevich I.I., Sviridov O.V. A method for the quantitative determination of the active receptor of beta-lactam antibiotics BlaR-CTD for bioanalytical applications // Appl. Biochem. Microbiol. 2023. V. 59. № 1. P. 79. https://doi.org/10.1134/s0003683823010106)
  15. Li X., Pan Z., Li M., Jia X., Zhang S., Lin H., Liu J., Ma L. Europium chelate-labeled lateral flow assay for rapid and multiple detection of β-lactam antibiotics by the penicillin-binding protein // Anal. Methods. 2020. V. 12. № 28. P. 3645. https://doi.org/10.1039/d0ay01140a
  16. Lin H., Fang F., Zang J., Su J., Tian Q., Kumar Kankala R., Lin X. A fluorescent sensor-assisted paper-based competitive lateral flow immunoassay for the rapid and sensitive detection of ampicillin in hospital wastewater // Micromachines (Basel). 2020. V. 11. № 4. Article 431. https://doi.org/10.3390/mi11040431
  17. Li X., Wang X., Wang L., Yang T., Wang D. Duplex detection of antibiotics in milk powder using lateral-flow assay based on surface-enhanced raman spectroscopy // Food Anal. Methods. 2021. V. 14. № 1. P. 165. https://doi.org/10.1007/s12161-020-01870-9
  18. Fan R., Tang S., Luo S., Liu H., Zhang W., Yang C., He L., Chen Y. Duplex surface enhanced Raman scattering-based lateral flow immunosensor for the low-level detection of antibiotic residues in milk // Molecules. 2020. V. 25. № 22. Article 5249. https://doi.org/10.3390/molecules25225249
  19. Lu Z.Y., Chan Y.H. The importance of antibody orientation for enhancing sensitivity and selectivity in lateral flow immunoassays // Sens. Diagn. 2024. V. 3. № 10. P. 1613. https://doi.org/10.1039/D4SD00206G
  20. Кельциева О.А., Гладилович В.Д., Подольская Е.П. Металл-аффинная хроматография. Основы и применение // Научное приборостроение. 2013. Т. 23. № 1. С. 74.
  21. López-Laguna H., Voltà-Durán E., Parladé E., Villaverde A., Vázquez E., Unzueta U. Insights on the emerging biotechnology of histidine-rich peptides // Biotechnol. Adv. 2022. V. 54. Article 107817. https://doi.org/10.1016/j.biotechadv.2021.107817
  22. Zhu L., Chang Y., Li Y., Qiao M., Liu L. Biosensors based on the binding events of nitrilotriacetic acid–metal complexes // Biosensors (Basel). 2023. V. 13. № 5. Article 507. https://doi.org/10.3390/bios13050507
  23. Vallina-García R., del Mar García-Suárez M., Fernández-Abedul M.T., Méndez F.J., Costa-García A. Oriented immobilisation of anti-pneumolysin Fab through a histidine tag for electrochemical immunosensors // Biosens. Bioelectron. 2007. V. 23. № 2. P. 210. https://doi.org/10.1016/j.bios.2007.04.001
  24. Höltje J.-V. Growth of the stress-bearing and shape-maintaining murein sacculus of Escherichia coli // Microbiol. Mol. Biol. Rev. 1998. V. 62. № 1. P. 181. https://doi.org/10.1128/mmbr.62.1.181-203.1998
  25. Серченя Т.С., Горбачева И.В., О.В. Свиридов. Прямое конъюгирование пенициллинов и цефалоспоринов с белками для рецепторного анализа бета-лактамных антибиотиков // Биорг. химия. 2022. Т. 48. № 1. C. 63. https://doi.org/10.31857/s0132342322010122 (Serchenya T.S., Harbachova I.V., Sviridov O.V. Direct conjugation of penicillins and cephalosporins with proteins for receptor assays of beta-lactam antibiotics // Russ. J. Bioorg. Chem. 2022. V. 48. № 1. P. 85. https://doi.org/10.1134/s1068162022010125)
  26. Zvereva E.A., Byzova N.A., Sveshnikov P.G., Zherdev A.V., Dzantiev B.B. Cut-off on demand: Adjustment of the threshold level of an immunochromatographic assay for chloramphenicol // Anal. Methods. 2015. V. 7. № 15. P. 6378. https://doi.org/10.1039/c5ay00835b
  27. Kumar D., Mutreja I., Sykes P. Seed mediated synthesis of highly mono-dispersed gold nanoparticles in the presence of hydroquinone // Nanotechnology. 2016. V. 27. № 35. Article 355601. https://doi.org/10.1088/0957-4484/27/35/355601
  28. Byzova N.A., Safenkova I.V., Slutskaya E.S., Zherdev A.V., Dzantiev B.B. Less is more: A comparison of antibody-gold nanoparticle conjugates of different ratios // Bioconjug. Chem. 2017. V. 28. № 11. P. 2737. https://doi.org/10.1021/acs.bioconjchem.7b00489
  29. Frens G. Controlled nucleation for the regulation of the particle size in monodisperse gold suspensions // Nat. Phys. Sci. 1973. V. 241. № 105. P. 20. https://doi.org/10.1038/physci241020a0
  30. Posthuma-Trumpie G.A., Korf J., Van Amerongen A. Lateral flow (immuno)assay: Its strengths, weaknesses, opportunities and threats. A literature survey // Anal. Bioanal. Chem. 2009. V. 393. № 2. P. 569. https://doi.org/10.1007/s00216-008-2287-2
  31. Li J., Duan H., Xu P., Huang X., Xiong Y. Effect of different-sized spherical gold nanoparticles grown layer by layer on the sensitivity of an immunochromatographic assay // RSC Adv. 2016. V. 6. № 31. P. 26178. https://doi.org/10.1039/c6ra03695c
  32. Byzova N.A., Zherdev A.V., Khlebtsov B.N., Burov A.M., Khlebtsov N.G., Dzantiev B.B. Advantages of highly spherical gold nanoparticles as labels for lateral flow immunoassay // Sensors. 2020. V. 20. № 12. Aritcle 3608. https://doi.org/10.3390/s20123608
  33. Khlebtsov B.N., Tumskiy R.S., Burov A.M., Pylaev T.E., Khlebtsov N.G. Quantifying the numbers of gold nanoparticles in the test zone of l ateral flow immunoassay strips // ACS Appl. Nano Mater. 2019. V. 2. № 8. P. 5020. https://doi.org/10.1021/acsanm.9b00956
  34. Дыкман Л.А., Хлебцов Н.Г. Методы химического синтеза коллоидного золота // Успехи химии. 2019. Т. 88. № 3. C. 229. http://dx.doi.org/10.1070/RCR4843?locatt=label:RUSSIAN (Dykman L.A., Khlebtsov N.G. Methods for chemical synthesis of colloidal gold // Russ. Chem. Rev. 2019. V. 88. № 3. P. 229. https://doi.org/10.1070/RCR4843)
  35. Perrault S.D., Chan W.C.W. Synthesis and surface modification of highly monodispersed, spherical gold nanoparticles of 50–200 nm // J. Am. Chem. Soc. 2009. V. 131. № 47. P. 17042. https://doi.org/10.1021/ja907069u
  36. Kausaite-Minkstimiene A., Ramanaviciene A., Kirlyte J., Ramanavicius A. Comparative study of random and oriented antibody immobilization techniques on the binding capacity of immunosensor // Anal. Chem. 2010. V. 82. № 15. P. 6401. https://doi.org/10.1021/ac100468k
  37. Song H.Y., Zhou X., Hobley J., Su X. Comparative study of random and oriented antibody immobilization as measured by dual polarization interferometry and surface plasmon resonance spectroscopy // Langmuir. 2012. V. 28. № 1. P. 997. https://doi.org/10.1021/la202734f
  38. Tripathi K., Driskell J.D. Quantifying bound and active antibodies conjugated to gold nanoparticles: A comprehensive and robust approach to evaluate immobilization chemistry // ACS Omega. 2018. V. 3. № 7. P. 8253. https://doi.org/10.1021/acsomega.8b00591

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. (а) ПЭМ-изображение полученных наночастиц коллоидного золота, (б) спектр светопоглощения наночастиц коллоидного золота, (в) гистограмма распределения наночастиц коллоидного золота по размерам.

Скачать (129KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Кривые зависимости коэффициента агрегации К конъюгатов (а) КЗ-a-His и (б) КЗ-ПСБ от pH и концентрации белка.

Скачать (115KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Масс-спектры MALDI-TOF конъюгатов с бычьим сывороточным альбумином.

Скачать (59KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Градуировочная кривая зависимости интенсивности окрашивания тестовой линии от концентрации пенициллина в образце молока с использованием конъюгатов КЗ-ПСБ и КЗ-аHis-ПСБ с разным количеством пенициллин-связывающего белка.

Скачать (96KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Результаты иммунохроматографического определения пенициллина при использовании конъюгатов КЗ-ПСБ4 мкг и КЗ-ПСБ1 мкг. Жирным шрифтом отмечена концентрация пенициллина, которая соответствует пределу обнаружения при визуальной интерпретации результата.

Скачать (52KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Результаты иммунохроматографического определения пенициллина при использовании конъюгатов КЗ-ПСБ1 мкг, КЗ-ПСБ0.5 мкг и КЗ-ПСБ0.2 мкг. Жирным шрифтом отмечена концентрация пенициллина, которая соответствует пределу обнаружения при визуальной интерпретации результата.

Скачать (107KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Ориентация пенициллин-связывающего белка на поверхности наночастиц золота при неориентированной или ориентированной иммобилизации. В силу небольших размеров пенициллина ожидается его эффективное связывание с пенициллин-связывающим белком даже в случае затрудненной ориентации последнего (активный центр обращен в сторону поверхности наночастицы). При этом стерически-затрудненный пенициллин-связывающий белок будет неактивен в отношении конъюгата бычьего сывороточного альбумина с антибиотиком, поскольку конъюгированный ампициллин экранируется объемной молекулой бычьего сывороточного альбумина.

Скачать (210KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Схематическая иллюстрация эксперимента по определению количества несвязавшегося пенициллин-связывающего белка после конъюгации с коллоидным золотом или КЗ-a-His.

Скачать (102KB)
Метаданные
10. Рис. 9. Количество пенициллин-связывающего белка в супернатанте после инкубации с КЗ и КЗ-a-His в течение различного времени.

Скачать (120KB)
Метаданные
11. Рис. 10. Схематическая иллюстрация эксперимента для определения количества пенициллина после инкубации с КЗ-ПСБ1 мкг и КЗ-a-His-ПСБ1 мкг.

Скачать (160KB)
Метаданные
12. Рис. 11. Данные эксперимента по определению концентрации пенициллина, необходимой для ингибирования конъюгата КЗ-ПСБ1 мкг и КЗ-a-His-ПСБ1 мкг.

Скачать (129KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2025