БИОХИМИЯ, 2023, том 88, вып. 1, с. 29 - 46

УДК 577.22

ИНКАПСУЛИНЫ: СТРУКТУРА, СВОЙСТВА,

ПРИМЕНЕНИЕ В БИОТЕХНОЛОГИИ

Обзор

¹ ФГАОУ ВО «Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС»,

119049 Москва, Россия; электронная почта: abakumov1988@gmail.com

² ФГАОУ ВО «Российский национальный исследовательский медицинский университет имени Н.И. Пирогова»

Минздрава России, 117977 Москва, Россия

Поступила в редакцию 16.09.2022

После доработки 04.11.2022

Принята к публикации 07.11.2022

В 1994 году был обнаружен новый класс прокариотических компартментов, получивших собиратель-

ное название «инкапсулины» или «нанокомпартменты». Белки-протомеры оболочек инкапсулинов

самоорганизуются с образованием икосаэдрических структур различных диаметров (24-42 нм).

Внутри оболочек нанокомпартментов могут быть инкапсулированы один или несколько грузовых

белков, разнообразных по своим функциям. Кроме того, в нанокомпартменты могут быть загруже-

ны ненативные грузовые белки, а поверхности оболочек возможно модифицировать при помощи

различных соединений, что позволяет создавать системы направленной доставки препаратов, метки

для оптической и МРТ-визуализации, а также использовать инкапсулины в качестве биореакторов.

В настоящем обзоре описывается ряд подходов к применению инкапсулинов в различных областях

науки, включая биомедицину и нанобиотехнологии.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: инкапсулины, самоорганизация, наноконтейнерные системы, направленная

доставка, генетические метки, отслеживание клеток.

DOI: 10.31857/S0320972523010037, EDN: PBIQDI

ВВЕДЕНИЕ

часто необратимым последствиям. Главными

«депо» для избытка солей тяжелых металлов

Известно, что для поддержания гомеостаза

являются кровеносное русло и печень. Прока-

у млекопитающих используются различные ме-

риотические клетки обычно лишены мембран-

ханизмы: например, транспорт железа в клетках

ных компартментов, характерных для эукариот,

осуществляется трансферринами, а его нако-

но вместо этого содержат множество белковых

пление, в том числе для защиты от оксидатив-

компартментов, способных накапливать боль-

ного стресса, происходит за счет ферритинов;

шое количество молекул. Впервые особые бел-

Na/K-АТФаза контролирует количество ионов

ковые нанокомпартменты, позднее названные

натрия и калия внутри клетки. Практически все

инкапсулинами, были обнаружены в 1994 году

реакции в живых организмах протекают при

в надосадочной жидкости культуры бактерий

участии различных ферментов, которые могут

штамма Brevibacterium linens, проявлявших

содержать в себе ионы таких металлов, как Fe,

бактериостатическую активность в отноше-

Zn, Cu и др., однако количество этих металлов

нии различных штаммов Arthrobacter, Bacillus,

в организме невелико, а их сильный избыток

Brevibacterium, Corynebacterium и Listeria [1].

или недостаток при изменяющихся внешних

Впоследствии подобные белковые комплексы

факторах может приводить к разным тяжелым, были идентифицированы в надосадочной жид-

Принятые сокращения: Bfr - бактериоферритин; CLP - пептид загрузки; DHFR - дигидрофолатредуктаза; DyP -

пероксидаза, обесцвечивающая краситель; eMIONs - магнитные наночастицы оксида железа, продуцируемые инкапсу-

лином; FLP - ферритиноподобный белок; FolB - фермент, отвечающий за синтез фолиевой кислоты; IMEF - железо-

минерализующий инкапсулин-ассоциированный белок Firmicute; miniSOG - мини-генератор синглетного кислорода;

OVA - овальбумин; Т - триангуляционное число.

* Адресат для корреспонденции.

ЧМЕЛЮК и др.

кости культур Mycobacterium tuberculosis (Myc.

проведенных исследований была создана база

tuberculosis) [2] и Thermotoga maritima [3], при-

данных бактериальных микрокомпартментов,

чем оказалось, что эти структуры содержат

включающая в себя также описание и различ-

в себе протеолитические ферменты. В ходе

ные характеристики инкапсулинов [25].

ряда исследований инкапсулины были об-

наружены также у бактерий Mycobacterium

leprae, Streptomyces и позднее - у Quasibacillus

СТРУКТУРА И СВОЙСТВА

thermotolerans [4-9]. Однако в последующих

ОБОЛОЧКИ НАНОКОМПАРТМЕНТОВ

исследованиях протеолитическая активность

не была подтверждена, и на сегодняшний день

Оболочки инкапсулинов представляют со-

считается, что инкапсулины выполняют по

бой икосаэдрические (12 вершин, 20 граней,

большей степени структурную функцию [10].

30 ребер) комплексы, образующиеся путем са-

В середине 2000-х годов было установлено, что

мосборки белков-протомеров, гомологичных

наблюдаемые структуры с высокой молеку-

по своей структуре gp5 - основному капсид-

лярной массой представляют собой белковые

ному белку фага HK97 [26]. Как и в случае

капсидоподобные комплексы [10-12].

вирусных капсидов, белки оболочки инкапсу-

С течением времени исследования нано-

линов могут собираться в икосаэдры различ-

компартментов были продолжены. Часть иссле-

ных размеров. На сегодняшний день известно

дований была направлена на поиск новых бел-

3 различных типа инкапсулинов, которые ха-

ковых компартментов и изучение их свойств,

рактеризуют с помощью триангуляционно-

а также выяснение физиологической роли ин-

го числа (Т), представляющего собой частное

капсулинов и их грузовых белков в естественном

от деления числа протомеров в оболочке ин-

бактериальном

«контексте». Другие работы

капсулина на 60 [27]. Например, инкапсули-

были посвящены применению таких струк-

нами с Т = 1 являются T. maritima [10], Myc.

тур в качестве биореакторов, систем доставки

tuberculosis [22] и Rhodococcus jostii [21] (диа-

препаратов, а также эндогенных меток [13-20].

метр оболочки

20-24 нм, оболочка состо-

Биоинформационный анализ секвенирован-

ит из 60 идентичных субъединиц белка-про-

ных геномов позволил выявить тысячи си-

томера). В качестве примера инкапсулинов

стем нанокомпартментов как в бактериях, так

с Т = 3 можно привести нанокомпартмен-

и в археях с огромным разнообразием грузо-

ты бактерий Pyrococcus furiosus [12], Kuenenia

вых белков [19, 21-24]. Позднее на основании

stuttgartiensis

[28,

29] и Myxococcus xanthus

Рис. 1. Структура белкового капсида бактериофага HK97 (а). Капсид имеет диаметр 65 нм и состоит из 420 белков-

капсомеров (PDB-ID 2FT1). Ниже приведена структура отдельного капсомера (gp5). Структура оболочки инкапсулина

бактерии T. maritima (б). Инкапсулин T. maritima образован 60 идентичными белками-протомерами, диаметр белко-

вой оболочки составляет 24 нм (PDB-ID 3DKT). Ниже приведено строение белка-протомера оболочки инкапсулина

T. maritima. Как в структуре белка-протомера оболочки инкапсулина, так и в структуре капсомера gp5 имеется 3 кон-

сервативных домена: периферический домен (P), осевой домен (A) и удлиненная петля (E)

БИОХИМИЯ том 88 вып. 1 2023

ПРИМЕНЕНИЕ ИНКАПСУЛИНОВ В БИОТЕХНОЛОГИИ

(Myx. xanthus) [23] (диаметр оболочки 30-32 нм,

ским свойствам. Например, в инкапсулинах

180 протомеров). Наконец, самыми крупны-

T. maritima поры в местах соединения пяти

ми инкапсулинами, обнаруженными на сегод-

протомеров состоят из пяти остатков гисти-

няшний день, являются инкапсулины бакте-

дина и имеют положительный заряд, а поры

рии Q. thermotolerans с T = 4 (диаметр оболочки

в местах соединения трех протомеров состо-

42 нм, 240 протомеров) [30].

ят из трех остатков фенилаланина и не имеют

В структуре белка-протомера оболочки ин-

заряда [33]. А в инкапсулинах Q. thermotolerans

капсулина, подобно капсомеру gp5 фага HK97,

все поры имеют отрицательный заряд, что

имеется 3 консервативных домена. Первым

позволяет транспортировать положительно

является периферический домен (P), содер-

заряженные субстраты [30]. Кроме того, из-

жащий несколько α-спиралей и β-складок,

вестно, что внутренняя поверхность оболочки

второй - осевой домен (A), который также

инкапсулина имеет много отрицательно заря-

имеет несколько α-спиралей и β-складок и об-

женных аминокислотных остатков, что указы-

разует ось симметрии пятого порядка, и, нако-

вает на существование определенного пути к

нец, третий - удлиненная петля (E), которая

ферритиноподобному белку (FLP, ferritin-like

важна для сборки инкапсулина и определяет

protein) для ионов железа после попадания

симметрию всего комплекса [4, 10, 13, 27, 30].

в инкапсулин [34].

Из рис. 1 хорошо видно, насколько гомологич-

Поры инкапсулина Synechococcus elongatus

но строение капсомера фага HK97 (рис. 1, а)

(Syn. elongatus) отличаются от T. maritima и

и белка-протомера оболочки инкапсулина

имеют положительно заряженные аминокис-

T. maritima (рис. 1, б).

лотные остатки снаружи [32]. Это, возможно,

Однако несмотря на высокую структурную

некая адаптация, позволяющая транспор-

гомологию протомеров инкапсулинов и капсо-

тировать отрицательно заряженный депро-

меров фага HK97, гомология аминокислотных

тонированный субстрат (L-цистеин). Поры

последовательностей в этих белках невелика.

инкапсулинов Mycobacterium smegmatis так-

Таким образом, согласно классификации базы

же имеют положительно заряженные гисти-

данных семейств белковых доменов Pfam, ин-

дины, что позволяет селективно пропускать

капсулины и HK97 являются членами одного

внутрь отрицательно заряженные субстра-

и того же клана (CL0373), но разделяются на

ты для своего грузового белка - фермента

отдельные семейства (инкапсулины относятся

пероксидазы [34].

к семейству PF04454, а бактериофаг HK97 -

Поры в оболочках инкапсулинов могут

к PF05065) [31].

иметь не только различные заряды, но и раз-

В местах соединения протомеров оболочек

ные конформации. Существует интересная ра-

нанокомпартментов имеются множественные

бота, в которой были обнаружены две конфор-

поры, диаметр которых составляет 3-7 Å [10,

мации пор у инкапсулина Haliangium ochraceum:

12]. Поры, вероятно, служат барьером прони-

закрытые и открытые

[35]. Это позволяет

цаемости для более крупных молекул, позволяя

предположить, что поры могут реагировать на

проходить через оболочку небольшим молеку-

внешние раздражители.

лам и ионам. Например, низкомолекулярные

Также известно, что размер пор может

субстраты инкапсулированных ферментов,

быть искусственно увеличен. Например, в од-

такие как перекись водорода или двухвалент-

ном из исследований была описана возмож-

ное железо, способны проходить через обо-

ность увеличения пор в оболочке инкапсулина

лочку, в то время как белки и другие крупные

T. maritima с 3 до 11 Å, то есть в 3,7 раза [36]. Ав-

молекулы - нет [16, 17, 21, 24]. В инкапсулинах

торы работы исследовали влияние аминокис-

присутствуют грузовые белки, обладающие

лотных замен и делеций в петле, формирующей

каталитической функцией, что может указы-

пору в местах соединения пяти белков-прото-

вать на избирательность транспорта субстра-

меров, на структурную целостность оболочки

та через оболочку [10], при этом транспорт

инкапсулина. В инкапсулине T. maritima такая

будет зависеть от типа инкапсулированного фер-

петля состоит из 13 а.о. Авторами было созда-

мента [32]. Считается, что наиболее вероятные

но несколько мутантных штаммов T. maritima,

транспортные каналы расположены вдоль пор,

имеющих различные замены и/или делеции

образующихся в местах соединения пяти про-

аминокислот в этой петле. Согласно получен-

томеров (так называемые 5-fold pores), по-

ным данным, самым оптимальным мутантом

скольку эти поры являются самыми крупны-

оказался штамм с делецией 7 а.о. в петле. Диа-

ми [10, 30].

метр пор в оболочке такого инкапсулина увели-

Недавно было показано, что поры мо-

чился до 11 Å, при этом целостность оболочки

гут различаться по своим электростатиче-

не нарушилась.

БИОХИМИЯ том 88 вып. 1 2023

ЧМЕЛЮК и др.

ГРУЗОВЫЕ БЕЛКИ ИНКАПСУЛИНОВ

фераза, приводит к их загрузке [10, 14, 16, 17, 19,

22]. Однако существуют альтернативные моде-

Впервые понимание механизма инкапсу-

ли, описывающие взаимодействие между гру-

ляции грузового белка возникло при изуче-

зовыми белкам и белками оболочки инкапсу-

нии кристаллической структуры инкапсулина

лина. В некоторых случаях, как, например, в

T. maritima. Методом рентгеновской кристал-

инкапсулинах P. furiosus, CLP отсутствует, од-

лографии было установлено наличие неболь-

нако ген, кодирующий оболочку, слит с геном,

шого количества дополнительной электронной

кодирующим грузовой белок, в результате чего

плотности, относящейся к гидрофобному кар-

образуется один полипептид (рис. 2, б) [12].

ману на люминальной поверхности оболочки

В инкапсулинах, обнаруженных у бактерий

инкапсулина, что соответствовало короткой

типа Firmicute существует одна особенность:

(около 10 а.о.) С-концевой последовательно-

загрузка грузовых белков может происходить

сти FLP, обнаруженной рядом с геном обо-

и через C-конец, и через N-конец CLP. Такой

лочки инкапсулина в геноме T. maritima [10].

нанокомпартмент содержит 2 грузовых белка:

Методом биоинформационного анализа было

C-конец CLP связан с железоминерализую-

установлено, что эта С-концевая последова-

щим инкапсулин-ассоциированным белком

тельность сохраняется у разных видов бакте-

Firmicute IMEF (iron-mineralizing encapsulin-

рий, в которых гены грузового белка и гены

associated Firmicute protein), участвующим в

оболочки инкапсулина находятся вместе в

минерализации железа, а депонирующий желе-

предполагаемом опероне. Примеры таких

зо белок ферредоксин - с N-концом CLP [19].

«предсказанных» грузовых белков включают:

Известно, что в одну оболочку наноком-

FLP, DyP (пероксидаза, обесцвечивающая

партмента может быть инкапсулировано не-

краситель, Dye-decolorizing peroxidase), геме-

сколько грузовых белков. Например, показано,

ритрин и руберитрин [10, 19].

что в инкапсулинах бактерий Myx. xanthus при-

Было показано, что эта C-концевая после-

сутствует 3 разных грузовых белка: EncB, EncC

довательность, в дальнейшем названная пепти-

и EncD [23], а у Myc. tuberculosis присутствуют

дом загрузки (cargo loading peptide (CLP)), явля-

белки: Mt-DyP, Mt-BfrB (бактериоферритин) и

ется достаточной для инкапсуляции грузового

Mt-FolB (фермент биосинтеза фолиевой кис-

белка в оболочку нанокомпартмента (рис. 2, а).

лоты) [22].

Последовательность, кодирующая CLP, может

Еще одним важным вопросом, связанным

находиться как на 3′-конце, так и на 5′-конце

с загрузкой, является доля, занимаемая грузо-

гена, кодирующего грузовой белок. Удаление

вым белком в нанокомпартменте. Каждый бе-

последовательности CLP нарушает инкапсу-

лок-протомер оболочки в инкапсулине имеет

ляцию грузового белка, в то время как слияние

сайт связывания с CLP, но, очевидно, что ко-

CLP с C-концом гетерологичных белков, таких

личество груза ограничено объемом оболочки.

как зеленый флуоресцентный белок или люци-

При этом важно понимать, что стехиометрия

Рис. 2. Грузовой белок может быть инкапсулирован в оболочку нанокомпартмента посредством пептида загрузки (а).

В некоторых случаях ген, кодирующий грузовой белок, и ген, кодирующий оболочку инкапсулина, слиты, что сводит

на нет необходимость в пептиде загрузки (б)

БИОХИМИЯ том 88 вып. 1 2023

ПРИМЕНЕНИЕ ИНКАПСУЛИНОВ В БИОТЕХНОЛОГИИ

зависит не только от размера оболочки ин-

(тример димеров) диаметром 89 Å. Было пред-

капсулина, но и от состояния олигомеризации

сказано, что стерические затруднения огра-

грузового(ых) белка(ов). Работы по модели-

ничат загрузку одним таким гексамером на

рованию показали, что из-за возникновения

нанокомпартмент [10], а измерения методом

стерических затруднений невозможно достичь

нативной масс-спектрометрии подтвердили

соотношения груза и белка-протомера более,

наличие 6 мономеров DyP в нанокомпартменте

чем 1 : 1 [10]. В качестве примера здесь мож-

с T = 1, что дает соотношение грузового белка

но привести нанокомпартмент B. linens, грузо-

к белку-протомеру 1 : 10 [37]. В таблице при-

вым белком которого является уже упомянутый

ведены данные о загрузке различных грузовых

выше фермент DyP, собирающийся в гексамер

белков в нанокомпартменты.

Загрузка нативных грузовых белков в различных инкапсулиновых системах

Соотношение

Инкапсулин

Грузовой белок

Число

загруженного белка

(количество

загруженных

Метод оценки

Источники

к количеству

протомеров)

субъединиц)

субъединиц

протомеров*

спектроскопия

Rhodococcu jostii (60)

DypB (6)

1 : 8,6**

в видимом

[21]

диапазоне

1 : 10

нативная МС

[37]

Brevibacterium linens (60)

DyP (6)

1 : 10

крио-ЭМ

[38]

1 : 10

ЭМ

[39]

Mycobacterium

DyP (6)

smegmatis (60)

6 и 12

1 : 10 и 1 : 5

крио-ЭМ

[40]

DyP (6)

1 : 10

Mycobacterium

FolB (4 или 8)

4 или 8

1 : 1

5 или 1 : 7,5

ЭМ

[22]

tuberculosis (60)

BfrB (24)

1 : 2

Pyrococcus furiosus (180)

FLP (10)

180

1 : 1

[12]

Thermotog maritima (60)

FLP (10)

30, 40 и 50

1 : 2, 1 : 1,5 и 1 : 1,2

крио-ЭМ

[41]

Haliangium ochraceum (60)

FLP (10)

1 : 1,2

крио-ЭМ

[35]

36 EncB

92 EncC

1 : 1

[23]

EncB

47 EncD

Myxococcus xanthus (180)

EncC

SDS-PAGE

EncD

86 ± 3 EncB

93 ± 9 EncC

1 : 1

[42]

50 ± 15 EncD

240

1 : 1

SDS-PAGE

Quasibacillus

IMEF (2)

thermotolerans (240)

1 : 2,9

крио-ЭМ

[30]

IMEF (2)

150

1 : 1,2

Bacillaceae bacterium (180)

SDS-PAGE

[4]

Fd (1)

1 : 18

Synechococcus elongatus (60)

CyD (2)

1 или 2

1 : 30 или 1 : 15

крио-ЭМ

[32]

Примечание. Fd - ферродоксин; CyD - цистеиндесульфураза, ЭМ - электронная микроскопия, МС - масс-спектрометрия.

* Загрузку определяют как соотношение между количеством мономерных единиц грузового белка и количеством прото-

меров инкапсулиновой оболочки.

** Загрузка груза путем разборки и сборки инкапсулиновой оболочки в кислых условиях.

БИОХИМИЯ том 88 вып. 1 2023

ЧМЕЛЮК и др.

ФИЗИОЛОГИЧЕСКАЯ ФУНКЦИЯ

бактерии R. jostii RHA1 с делецией гена, коди-

НАНОКОМПАРТМЕНТОВ

рующего DyP, не способен к деградации лиг-

нина [49], в то время как в бактериях штамма

О том, какую роль инкапсулины играют

дикого типа катаболизм лигнина происходит

в процессах метаболизма бактерий и архей,

активно. Исследования также показали, что ак-

известно не так много. На сегодняшний день

тивность комплекса инкапсулин-DypB в отно-

наиболее информативные результаты получе-

шении деградации нитрированного лигнина в

ны в исследованиях инкапсулинов, содержа-

8 раз выше по сравнению с неинкапсулирован-

щих FLP. Данные позволяют предположить,

ным ферментом DypB [21]. Увеличение фер-

что нанокомпартменты способны депониро-

ментативной активности при инкапсуляции

вать железо, снижая оксидативный стресс -

позволяет предположить, что нанокомпарт-

ярким примером здесь являются бактерии

мент может действовать либо путем стабили-

Q. thermotolerans, в геноме которых отсутству-

зации грузового белка, либо путем увеличения

ют ферритины [27]. В другой работе при ис-

локальной концентрации субстрата для фер-

следовании клеток Myx. xanthus в условиях

мента, тем самым усиливая ферментативную

аминокислотного голодания было обнаруже-

реакцию [50].

но, что экспрессия генов протомера оболоч-

Например, предполагается, что для выпол-

ки инкапсулина (EncA) и трех его грузовых

нения ферментативной функции такого грузо-

белков FLP (EncB, EncC и EncD) значительно

вого белка, как DyP, инкапсуляция не требу-

повышалась [23]. Авторы выдвинули гипоте-

ется [10]. Однако наблюдения подтверждают

зу о том, что инкапсулин может выступать в

гипотезу о том, что инкапсуляция позволяет

роли вторичной ферритиноподобной систе-

увеличить стабильность и/или продолжитель-

мы, имеющей большую емкость, и способ-

ность жизни грузовых белков, например, пу-

ной накапливать железо во время стресса при

тем повышения устойчивости к протеазам.

вынужденной «голодовке» или секвестриро-

К примеру, инкапсулины T. maritima крайне

вать железо во время оксидативного стресса.

устойчивы к воздействию высокой темпера-

Когда двухвалентное железо (Fe²⁺) подверга-

туры и денатурации [10, 17], а инкапсулины

ется воздействию активных форм кислорода,

B. linens стабильны в крайне широком диапазо-

происходит реакция Фентона, в которой Fe²⁺

не pH [38]. Подобно капсидам вирусных фагов,

окисляется до Fe³⁺ с образованием побочного

оболочки нанокомпартментов демонстрируют

продукта - гидроксильного радикала [43, 44],

минимальную деградацию после обработки

ферритины же защищают клетки от токси-

неспецифическими протеазами [16, 17]. Рези-

ческого действия, обусловленного этим про-

стентность к протеазам также распространя-

дуктом. Например, в работе McHugh et al. [23]

ется и на грузовые белки, например, люцифе-

было продемонстрировано, что мутантный

раза светлячка, упакованная в инкапсулины

штамм Myx. xanthus с делецией в последо-

Rhodococcus erythropolis N771, не подвергалась

вательности генов, кодирующих оболочки

деградации после обработки трипсином, в то

инкапсулинов, оказался более чувствителен

время как неинкапсулированная люцифераза

к добавлению перекиси водорода, по срав-

полностью деградировала [16].

нению с Myx. xanthus дикого типа. В условиях

Инкапсулины часто обнаруживаются в су-

оксидативного стресса, вызванного инкуба-

пернатанте бактериальной культуры [1, 2, 21],

цией бактерий с 0,5 мМ раствором переки-

в связи с чем была выдвинута гипотеза, что

си водорода в течение 6 часов, жизнеспособ-

нанокомпартменты являются продуктом бак-

ность мутантного штамма Myx. xanthus ока-

териальной секреции. Это было частично под-

залась существенно ниже по сравнению

тверждено в ходе наблюдения за локализацией

с жизнеспособностью Myx. xanthus дико-

инкапсулинов на мембранах клеток [2], одна-

го типа (25% и 75% жизнеспособных бак-

ко такая локализация наблюдается далеко не у

терий соответственно). Такое же свойство

всех прокариот, например, нанокомпартменты

есть и у Myc. tuberculosis [22]: каждый из трех

Streptomyces griseus находятся в цитоплазме [9].

грузовых белков, о которых уже было сказа-

Помимо этого, не существует известного ме-

но ранее (BfrB, FolB и DyP), в инкапсулинах

ханизма секреции интактного 24-42-нм бел-

Myc. tuberculosis обладает антиоксидантной ак-

кового комплекса [51]. Принимая во внима-

тивностью [45-48].

ние крайне высокие химическую стабильность

В дополнение к потенциальной роли в

и устойчивость к протеазам, более вероятно

снижении оксидативного стресса, DyP-содер-

предположить, что инкапсулины накаплива-

жащие инкапсулины также участвуют в ката-

ются в надосадочной жидкости культуры после

болизме [21]. Например, мутантный штамм

лизиса клеток [52].

БИОХИМИЯ том 88 вып. 1 2023

ПРИМЕНЕНИЕ ИНКАПСУЛИНОВ В БИОТЕХНОЛОГИИ

ПРИМЕНЕНИЕ НАНОКОМПАРТМЕНТОВ

в клетках линии HepG2 [61, 62]. Белок обо-

В БИОТЕХНОЛОГИИ

лочки T. maritima (Encap) содержит два остат-

ка цистеина (C123 и C197), C123 расположен

Суммируя все вышесказанное, инкапсули-

на внешней поверхности Encap, что позволяет

ны - это особые белковые наночастицы, имею-

конъюгировать пептид SP94 и флуоресцентную

щие два основных преимущества. Во-первых,

метку (флуоресцеин) на поверхность оболочки

как и все наночастицы, инкапсулины облада-

инкапсулина. Таким образом, получившееся

ют развитой поверхностью (S_уд. >> V_уд.) и, что

«наноустройство» было способно специфи-

самое главное, имеют две поверхности - вну-

чески связываться с клетками HepG2 и визуа-

треннюю и внешнюю поверхности оболоч-

лизировать их за счет присутствия флуорофо-

ки инкапсулина. Во-вторых, инкапсулины

ра (рис. 3, а). В дальнейшем было показано,

кодируются генетически (т.е. происходит их

что в полученную конструкцию может быть за-

биосинтез) и поэтому могут быть получены в

гружен альдоксорубицин (6-малеимидокапро-

биологических системах со 100%-ной воспро-

ил) гидразон из доксорубицина, являющийся

изводимостью, чего нельзя достичь никакими

пролекарством и высвобождающийся при кис-

физическими или химическими методами син-

лом pH внутри опухолевых клеток. Также была

теза наночастиц любых составов. В отличие от

установлена дозозависимая цитотоксичность

химического и физического синтеза биосинтез

препарата в отношении клеток HepG2.

более экономичен и, что немаловажно, без-

В работе Putri et al. [38] было обнаружено,

опасен для окружающей среды, поскольку в

что инкапсулины B. linens, загруженные TFP

процессе биосинтеза не образуется токсичных

(teal fluorescent protein, бирюзовый флуорес-

побочных продуктов, которые необходимо

центный белок), успешно захватывались мак-

утилизировать специальным образом.

рофагами мыши J774 в культуре in vitro, что

Инкапсулины в качестве платформы для

приводило к флуоресценции клеток. При этом

доставки лекарств. Известно, что за послед-

инкапсулины оставались в цитоплазме макро-

нее десятилетие было разработано большое

фагов и не попадали в ядро. Авторы работы

количество наноразмерных систем направ-

отмечают, что выбранный модельный грузо-

ленной доставки на основе мицелл [53, 54],

вой белок с флуоресцентными свойствами воз-

липосом [55], неорганических [56] и полимер-

можно заменить на терапевтический агент и

ных [57] наночастиц, а также белковых ком-

использовать для его доставки технологию на

партментов [58, 59]. Все эти частицы с загру-

основе инкапсулинов.

женными на них препаратами используются

В одном из исследований [63] в оболочки

с целью увеличить эффективность доставки,

инкапсулинов T. maritima был загружен био-

уровень накопления препаратов в сравнении

логический фотосенсибилизатор miniSOG

с неинкапсулированными лекарственными

(мини-генератор синглетного кислорода, mini-

средствами, время циркуляции в кровотоке и

Singlet Oxygen Generator) путем слияния CLP

снизить количество побочных эффектов [60].

с С-концом белка miniSOG. Получившийся

Помимо этого, препараты для направленной

фоточувствительный нанореактор был назван

доставки могут сыграть свою роль и в диагно-

Enc-mSOG. Авторами была проведена оценка

стике заболеваний путем взаимодействия со

образования активных форм кислорода в клет-

специфическими молекулярными мишенями,

ках рака легкого A549 после облучения синим

экспрессирующимися при той или иной пато-

лазером. Предварительно клетки были инку-

логии. Как уже упоминалось выше, инкапсули-

бированы со свободным miniSOG либо с Enc-

ны - это крайне стабильные и прочные струк-

mSOG в течение 7 часов. В качестве контроля

туры, что позволяет применять их в качестве

использовали клетки без добавления фотосен-

платформы для решения различных задач био-

сибилизатора. Исследование показало, что

медицины.

наибольший уровень активных форм кислоро-

Например, в одном из исследований [13]

да после облучения синим лазером наблюдался

инкапсулины T. maritima были использованы в

в клетках, инкубированных с Enc-mSOG [63].

качестве системы направленной доставки зон-

Подобные системы были получены для на-

дов с флуорофором и терапевтического пре-

правленной терапии HER2 положительной

парата. Оболочки нанокомпартментов были

карциномы молочной железы [64]. В данной

модифицированы путем добавления на них

работе авторы также использовали в качестве

SP94-пептида, специфически связывающе-

платформы генетически кодируемую оболочку

гося с белко GRP78 (Glucose-regulated protein,

инкапсулина T. maritima, содержащую внутри

78 кДа), избыточно экспрессированным в

себя фотосенсибилизатор miniSOG, за счет

различных опухолевых клетках, в том числе

слияния C-конца белка с CLP. Поверхность

БИОХИМИЯ том 88 вып. 1 2023

ЧМЕЛЮК и др.

инкапсулина была насыщена DARPin9.29

нетически модифицированы таким образом,

(Designed Ankyrin repeat protein), способным

чтобы экспрессировать на своей поверхности

селективно связываться с рецептором эпидер-

пептид, связывающий Fc-домен IgG (IgG Fc

мального фактора роста 2 (HER2), избыточно

domain-binding peptide; FcBP) [65], имеющий

экспрессированным на поверхности клеток

высокую аффинность к Fc-фрагменту имму-

карциномы молочной железы. DARPin9.29

ноглобулина G кролика [66]. При помощи ме-

был клонирован в рамке считывания с геном

тодов поверхностного плазмонного резонанса

инкапсулина T. maritima для получения сли-

в реальном времени и пьезоэлектрического

того белка TmEnc-DARPin-STII. Полученная

микровзвешивания было показано, что FcBP

система показала высокую активность по от-

действительно присутствует на внешней по-

ношению к выбранной модели рака и низкую

верхности инкапсулина и доступен для связы-

специфичность по отношению к контрольным

вания Fc IgG кролика. Полученная векторная

клеткам, не имеющим на своей поверхности

конструкция была способна специфически

белок HER2. Авторы исследования показали,

связываться с клетками линии SCC-7 (плоско-

что модифицированные инкапсулины спо-

клеточная карцинома мыши). Moon et al. [65]

собны специфически связываться с клетками

предполагают, что полученная конструкция

линии SK-BR-3 (аденокарцинома молочной

может быть использована в качестве наноплат-

железы человека), интернализоваться внутрь и

формы при разработке многофункциональной

доставлять, таким образом, в клетки инкапсу-

системы для тераностики плоскоклеточной

лированную форму miniSOG. После облучения

карциномы.

клеток SK-BR-3 синим светом, авторы отмеча-

Также было показано, что поверхность обо-

ют существенное снижение жизнеспособно-

лочки инкапсулина бактерии R. erythropolis N771,

сти клеток (до 48%), обусловленное действи-

о которой уже шла речь выше, может быть

ем miniSOG. Примечательно, что в качестве

успешно покрыта полиэтиленгликолем (ПЭГ).

контрольных клеток в вышеописанной работе

Хорошо известно, что ПЭГ является биосов-

использовали мезенхимные стволовые клетки

местимым модификатором носителей лекар-

человека, и подобного драматического сни-

ственных средств. Его присутствие затрудняет

жения жизнеспособности отмечено не было.

распознавание носителей клетками моноцитар-

Главным преимуществом данной системы яв-

но-макрофагальной системы, а также снижает

ляется принципиальная возможность создания

агрегацию. Кроме того, авторы исследования

действующего препарата на основе инкапсули-

показали, что ПЭГилирование не препятствует

на из одной плазмиды, в которой были закоди-

самосборке нанокомпартмента [20].

рованы все три составляющие: носитель (обо-

Инкапсулины в качестве платформы для соз-

лочка инкапсулина), вектор (DARPin9.29) для

дания вакцин. Ни для кого не секрет, что разра-

доставки и действующее вещество (miniSOG).

ботка новых безопасных вакцин является одной

Системы доставки на основе инкапсулинов

из важнейших задач человечества. Инкапсули-

также нашли применение в иммунотерапии рака.

ны благодаря их возможности одновременно-

Например, в одном из исследований [18] ин-

го синтеза как протомеров инкапсулина, так и

капсулины T. maritima использовали в качестве

других белков могут быть важной платформой

наноконтейнеров для доставки к дендритным

для создания вакцин. Например, имеется ин-

клеткам антигена (OT-1-пептида), представляю-

тересная работа, посвященная использованию

щего собой эпитоп белка OVA (овальбумин).

инкапсулинов T. maritima в качестве носителя

Презентация OT-1-пептида дендритными клет-

эктодомена белка М2 вируса гриппа А (М2е-

ками приводит к активации Т-клеточного им-

эпитоп) [67] (рис. 3, б). Белок М2 формирует

мунного ответа с образованием ОТ-1-специ-

ионные каналы на поверхности вириона и яв-

фичных цитотоксических CD8 Т-лимфоцитов.

ляется необходимым для транспорта вирусных

У мышей, на in vivo модели подкожных опухо-

рибонуклеопротеиновых комплексов в цито-

лей, полученных путем имплантации трансген-

плазму клетки-носителя. Его аминокислотная

ных клеток меланомы мыши В16 с экспрессией

последовательность крайне консервативна, а

ОТ-1 (B16-OVA), было продемонстрировано,

иммуногенность в процессе природной ин-

что вакцинация мышей при помощи инкапсу-

фекции достаточно низка [68]. Эти свойства

линов, содержащих ОТ-1, существенно препят-

делают М2е хорошим кандидатом для создания

ствовала развитию опухолей. Кроме того, было

вакцины широкого спектра действия. В работе

показано, что опухоли обширно инфильтриро-

было продемонстрировано присутствие специ-

ваны CD8 Т-клетками.

фических антител к М2е-эпитопу в сыворотке

Кроме того, было продемонстрировано

мышей после иммунизации полученными кон-

что инкапсулины T. maritima могут быть ге-

струкциями.

БИОХИМИЯ том 88 вып. 1 2023

ПРИМЕНЕНИЕ ИНКАПСУЛИНОВ В БИОТЕХНОЛОГИИ

Инкапсуляция флуорофоров. Фотопереклю-

лей, требующей введения стабильных и био-

чаемые флуорофоры и, в частности, спиропи-

совместимых наночастиц золота в область ин-

раны представляют собой важный инструмент,

тереса с последующим облучением требуемой

применяемый в микроскопии сверхвысокого

длиной волны и гибелью опухолевых клеток,

разрешения. Сам процесс фотопереключения

более чувствительных к повышению темпера-

метки необходим для того, чтобы стало воз-

туры по сравнению со здоровыми клетками.

можным картирование флуоресцентных то-

Инкапсулиновые системы, способные к

чек, достигающееся путем стохастической ак-

биоминерализации железа, могут быть при-

тивации некоторого количества флуорофоров

менены в магнито-гипертермической тера-

в определенный момент времени, в то время

пии (МГТ). В работе Zhang et al. [72] инкапсули-

как остальные флуорофоры «выключены». За-

ны бактерии Myx. xanthus были использованы

тем изображения сверхвысокого разрешения

для синтеза магнитных наночастиц, получив-

могут быть реконструированы из множества

ших название eMIONs (encapsulin-produced

таких полученных флуоресцентных изображе-

magnetic iron oxide nanoparticles, магнитные

ний. Кроме того, возможность «включения»

наночастицы оксида железа, продуцируемые

и «выключения» флуоресценции может ока-

инкапсулином). Было показано, что частицы

заться полезной, чтобы избежать перекрытия

являются монодисперсными, устойчивыми

флуоресцентных сигналов в присутствии раз-

к экстремальным значениям pH и расщепле-

личных меченых структур. Инкапсулины могут

нию протеазами. При воздействии перемен-

быть модифицированы с помощью фотопе-

ного магнитного поля eMIONs эффективно

реключаемых флуорофоров [69], в частности,

поглощали магнитную энергию, что приве-

инкапсулин B. linens был модифицирован по

ло к выраженному повышению температуры

карбодиимидному методу флуорофорами на

in vitro и in vivo. Кроме того, eMIONs способны

основе спиропиранов - органических соеди-

разлагать H₂O₂ с образованием O₂, тем самым

нений, обладающих фотохромными свойства-

вызывая специфическую гибель опухолевых

ми. При облучении ультрафиолетовым и види-

клеток из-за повышенной концентрации H₂O₂

мым светом спиропираны способны обратимо

в них. Учитывая высокую проникающую спо-

переключаться между своим флуоресцентным

собность магнитных полей, eMIONs являются

фотоизомером мероцианином и безызлуча-

перспективным терапевтическим средством

тельным изомером, что позволяет «включать»

для лечения солидных опухолей.

и «выключать» флуоресценцию [70] (рис. 3, в).

Помимо наночастиц оксида железа, нано-

Очень важным здесь является то, что инкапсу-

компартменты способны синтезировать на-

лины сохраняли свою структурную целост-

ночастицы серебра. Например, инкапсулины

ность как минимум в течение 5 циклов фото-

T. maritima использовались в качестве платфор-

переключения.

мы для получения монодисперсных наночастиц

Накопление неорганических наночастиц в

серебра со средним диаметром 13,5 нм [19].

инкапсулинах. Особо стоит отметить возмож-

Стоит отметить, что способность инкапсу-

ность контролируемой «разборки» инкапсули-

линов накапливать в себе ионы металлов может

нов на белковые субъединицы при добавлении

быть использована для очистки воды. Извест-

кислоты с загрузкой грузового белка интереса

но, что, например, Zn²⁺ в значительной степе-

за счет аффинности к тем или иным белковым

ни выбрасывается в воду во многих отраслях

последовательностям оболочки с последующим

промышленности и представляет серьезную

восстановлением структуры нанокомпартмен-

угрозу для окружающей среды. Wang et al. [73]

та при возвращении pH к нейтральному. Таким

предложили систему, состоящую из модифици-

образом, возможно загружать в оболочку ин-

рованных бактерий Escherichia coli, имеющих

капсулина молекулы/частицы, размер которых

в своем геноме ген, кодирующий инкапсулин

превышает диаметр пор. Интересным приме-

cEnc Candidatus Brocadia fulgida, который может

ром является работа Künzle et al. [71], где авто-

накапливать и восстанавливать ионы цинка.

ры выбрали в качестве груза наночастицы зо-

Полученные результаты позволяют обеспечить

лота диаметром 13 ± 1 нм, покрытые бромидом

эффективную стратегию повышения толе-

(11-меркаптоундецил)-N,N,N-триметиламмо-

рантности бактерий к токсичным металлам для

ния. Данные наночастицы были загружены в

восстановления Zn²⁺, что в перспективе может

оболочку инкапсулинов T. maritima при помо-

быть использовано для восстановления окру-

щи частичной замены стабилизирующего на-

жающей среды.

ночастицы лиганда на CLP, упомянутый ранее.

Инкапсулины в качестве генетически коди-

Подобный подход потенциально может быть

руемых меток. Помимо накопления неорганиче-

применен в фототермальной терапии опухо-

ских наночастиц для понижения концентрации

БИОХИМИЯ том 88 вып. 1 2023

ЧМЕЛЮК и др.

металлов вне оболочки инкапсулина, нельзя не

зовой белок, представляющий собой фермент

отметить блок работ, посвященных отслежива-

ферроксидазу, а также переносчик железа, не-

нию клеток при помощи МРТ за счет накопле-

обходимый для более эффективного транспор-

ния железосодержащих инкапсулинов в клет-

та железа в клетки. Через 24 часа после транс-

ках эукариот. На данный момент существует

фекции к клеткам добавляли сульфат аммония

два основных подхода, применяющихся для

железа, являющийся источником двухвалент-

мечения клеток. Первым подходом является

ного железа, окисляемого ферроксидазой с

прямое мечение, при котором экзогенные мет-

образованием магнитных наночастиц внутри

ки добавляются в ростовую среду к клеткам на

инкапсулинов (рис. 3, г). В случае инкапсулина

этапе культивирования. При этом в качестве

Q. hermotolerans криоэлектронная микроскопия

меток могут быть использованы магнитные

показала, что в клетках его оболочка самоорга-

наночастицы, радиоизотопы, а также низко-

низуется в нанокомпартменты с икосаэдриче-

молекулярные флуорофоры [74, 75]. Второй

ской симметрией T = 4 и диаметром ~ 42 нм.

подход основан на введении в геном клеток ге-

Кроме того, было установлено, что нативный

нетических последовательностей, кодирующих

грузовой белок сохраняет свою ферроксидаз-

эндогенные метки, такие как люцифераза или

ную активность, что позволяет эффективно

флуоресцентные белки [76]. Для оптического

биоминерализовать железо. В частности, пока-

мониторинга с использованием первого под-

зано, что ферритиноподобный грузовой белок

хода в качестве меток чаще всего применяют

Myx. xanthus был способен минерализовать до

квантовые точки и флуорофоры [77, 78], для

30 000 атомов железа на нанокомпартмент, что

ОФЭКТ (однофотонная эмиссионная компью-

примерно на порядок больше того количества,

терная томография) и ПЭТ (позитронно-эмис-

которое может депонироваться в ферритинах.

сионная томография) - радионуклиды, для

В другом исследовании [96] было продемон-

МРТ - суперпарамагнитные частицы (СМЧ)

стрировано, что в инкапсулины Myx. xanthus

оксида железа [79-84]. Важным недостатком

могут быть загружены сразу два грузовых бел-

здесь является то, что в процессе деления кле-

ка: флуоресцентный PAmCherry и ферритино-

ток накопление метки будет уменьшаться, и

подобный белок В. Авторы работы также пока-

интенсивность сигнала снизится, в силу чего

зали, что клетки НЕК293Т, экспрессирующие

мечение с использованием экзогенных агентов

инкапсулины, настолько хорошо накаплива-

не вполне подходит для длительного монито-

ют железо, что успешно поддаются магнитной

ринга клеток.

сортировке на коммерческих сортировочных

При проведении исследований, требующих

колонках (порядка 5% от исходной популяции

длительного отслеживания клеток после вве-

клеток) и даже могут быть обнаружены in vivo

дения, применяют непрямое специфическое

методом МРТ при введении в головной мозг

мечение с использованием репортерных генов.

крысы. Стоит отметить, что, в отличие от эк-

Чаще всего это гены, кодирующие флуоресцент-

зогенных меток на основе наночастиц оксида

ные белки [85-93] или люциферазу светляч-

железа, наночастицы, образующиеся в ин-

ка [94]. Для таких методов, как ОФЭКТ и ПЭТ,

капсулинах, не выбрасываются клетками, а,

также существуют свои генетические метки, а

следовательно, и не фагоцитируются соседни-

именно магнитно-резонансные репортерные

ми клетками, например клетками микроглии.

гены, продуцирующие внутриклеточные ме-

Это существенное преимущество, позволяю-

таллопротеины, такие как трансферрин, фер-

щее избежать искажения МР-сигнала с тече-

ритин, тирозиназа [95]. Как уже было упомяну-

нием времени, а также ошибок в интерпрета-

то выше, некоторые инкапсулиновые системы

ции результатов исследования. Гетерологичная

способны депонировать железо. Это свойство

транзиторная экспрессия генов инкапсулинов

позволяет использовать нанокомпартменты в

может быть достигнута не только в клетках ли-

качестве генетически кодируемых меток для

нии НЕК293Т, но и в других клеточных линиях,

МРТ-визуализации клеток. Существует ряд

например, в клетках гепатоцеллюлярной кар-

исследований, посвященных гетерологичной

циномы HepG2 [97].

экспрессии генов, кодирующих инкапсулино-

Кроме того, имеются работы, в которых

вые системы, в клетках млекопитающих. Так,

показана возможность получения стабильных

в работе Sigmund et al. [42] методом транзитор-

клеточных линий, содержащих инкапсули-

ной котрансфекции в клетках линии НЕК293Т

новые системы, депонирующие железо. На-

была достигнута экспрессия генов инкапсули-

пример, было показано, что мезенхимальные

нов Q. thermotolerans и Myx. xanthus. Трансфек-

стволовые клетки человека способны ста-

ция клеток производилась плазмидными ДНК,

бильно экспрессировать гены инкапсулина

кодирующими оболочку инкапсулина, его гру-

Myx. xanthus [98], а клетки карциномы молоч-

БИОХИМИЯ том 88 вып. 1 2023

ПРИМЕНЕНИЕ ИНКАПСУЛИНОВ В БИОТЕХНОЛОГИИ

ной железы мыши 4T1 - гены инкапсулина

частицы еще должны быть охарактеризованы,

Q. thermotolerans [99]. И в первом, и во втором

а их токсичность должна быть протестирована

случае было показано, что наличие такой ге-

на клеточной линии, чтобы убедиться в без-

нетической метки не влияло на жизнеспособ-

опасности их применения [100].

ность и пролиферацию клеток, а время релак-

Инкапсулины как биореакторы. Еще одним

сации Т2 для генетически модифицированных

способом применения инкапсулинов является

клеток, содержащих инкапсулины, было ниже

их использование в качестве биореакторов. Из-

по сравнению с контрольными клетками, что

вестно, что тонкий химический синтез может

позволяло детектировать клетки методом МРТ.

быть проведен при помощи различных фермен-

Это очень важное преимущество, выгодно вы-

тов, что позволяет сильно упростить условия

деляющее инкапсулины на фоне остальных

проведения реакции. Огромное количество ре-

меток, которые часто оказываются токсичны

акций в химии и химической промышленности

и способны влиять на пролиферацию клеток.

протекает в присутствии катализаторов, а сами

Помимо этого, в упомянутых работах было

катализаторы для гетерофазных систем пред-

показано, что формирование наночастиц в

ставляют собой различные мелкодисперсные

инкапсулинах протекало достаточно быстро и

частицы или же наносятся на пористый носи-

занимало около 24 часов, в противоположность

тель для увеличения эффективности процесса.

получению наночастиц методом химического

В одной из работ в качестве такого носителя

синтеза, который очень часто может занимать

были использованы инкапсулины T. maritima, а

несколько дней с учетом выделения, очистки

«нанесение» катализатора осуществлялось при

и функционализации поверхности, после чего

помощи связывания необходимых ферментов

Рис. 3. Использование инкапсулинов для решения различных биотехнологических задач: а - наноконтейнерные систе-

мы для адресной доставки лекарств; б - новые типы вакцин; в - фотопереключаемые метки; г - генетически кодируе-

мые метки для МРТ-визуализации; д - биосинтез при помощи инкапсулированных ферментов

БИОХИМИЯ том 88 вып. 1 2023

ЧМЕЛЮК и др.

с поверхностями (внутренней и внешней) бел-

размер и возможность функционализации по-

кового компартмента. Инкапсулины на основе

верхности для селективного взаимодействия со

T. maritima были сконструированы следующим

специфическими белками, позволяют созда-

образом: на внешней оболочке при помощи тех-

вать различные системы направленной достав-

нологии SpyCatcher/SpyTag С-конец протомера

ки препаратов или меток. Инкапсулины могут

был конъюгирован с фибронектином FbaB58, а

выступать в роли нанореакторов, что позво-

затем последовательно связан с N-концом ди-

ляет получать очень гомологичные друг другу

гидрофолатредуктазы E. coli (DHFR), а внутрь

наночастицы или же использовать этот эффект

инкапсулина был загружен тетрагидрофолат-

для устранения ионов металлов из окружаю-

зависимый фермент (демитилаза LigM). На обо-

щей среды. Также инкапсулины могут быть

лочке инкапсулина удалось ковалентно связать

платформой для конъюгации с различными

порядка 60 копий DHFR (рис. 3, д).

ферментами, что позволяет изучать их кинети-

Тетрагидрофолат, продуцируемый на внеш-

ку в естественных условиях. Инкапсулиновые

ней оболочке при помощи DHFR, был спосо-

системы, биоминерализующие железо с обра-

бен управлять деметилированием арильного

зованием магнитных наночастиц, могут быть

субстрата, полученного из лигнина, упакован-

использованы в качестве контрастных агентов

ными деметилазами. Было показано, что по-

для МРТ при мониторинге распространения

следующее введение делеции, увеличивающей

клеток в организме.

поры в оболочке инкапсулина, усиливает об-

Проводя сравнение инкапсулинов с други-

мен метаболитов. Таким образом, такая кон-

ми наночастицами, использующимися в био-

струкция на основе инкапсулина функциони-

технологии, немаловажным преимуществом

рует со скоростью, эквивалентной скорости

первых, на наш взгляд, является высокая вос-

двух ферментов, свободно диспергированных

производимость биосинтеза инкапсулинов

в растворе [101].

в клетках. Будь то прокариотические клетки

Благодаря своему внутреннему размеру

или же эукариотические - синтез инкапсу-

белковые компартменты являются превосход-

линов имеет генетическую основу, в то время

ной имитацией замкнутого внутриклеточно-

как химический синтез представляет собой

го окружения и позволяют изучать кинетику

крайне многофакторный процесс, успех кото-

ферментов в более естественных условиях [102,

рого зависит от чистоты и качества реактивов,

103]. Было показано, что в оболочку инкапсу-

выбранных методик т.д. Если более подроб-

лина R. erythropolis могут быть загружены такие

но остановиться именно на магнитных нано-

белки, как GFP и люцифераза светлячка (Luc),

частицах, использующихся для мониторинга

не являющиеся нативными для этого бактери-

клеток методом МРТ, то здесь наночастицы,

ального штамма [16]. При этом GFP сохранял

образующиеся в инкапсулинах, проигрывают

способность флуоресцировать, а люцифера-

экзогенным магнитным меткам в интенсив-

за проявляла ферментативную активность в

ности создаваемого ими МР-сигнала. Однако

отношении своего субстрата, люциферина.

экзогенные магнитные наночастицы обладают

Подобное исследование было проведено с ин-

существенным недостатком. Дело в том, что

капсулинами B. linens. С-Концевая последо-

наночастицы железа, захватываемые клетка-

вательность нативного грузового белка DyP

ми на этапе культивирования, могут выбра-

была слита с С-концом TFP [104]. После под-

сываться после введения клеток в ткани и в

тверждения структурной целостности изолиро-

дальнейшем захватываться другими клетками,

ванных нанокомпартментов было определено,

например макрофагами, что будет приводить

что в среднем в одном инкапсулине содержится

к искажению МР-сигнала и затруднять лока-

12 молекул TFP.

лизацию введенных клеток. Еще одним важ-

ным недостатком наночастиц, получаемых

методами химического синтеза, является их

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

токсичность в отношении различных клеточ-

ных культур, особенно это касается первичных

Несомненно, инкапсулины на данный мо-

культур стволовых клеток. Помимо магнитных

мент остаются относительно новым объектом

наночастиц, существуют также генетически ко-

исследований, не все свойства и их изначаль-

дируемые метки для МРТ, например, метки на

ное предназначение в прокариотах определены

основе ферритинов, но подобные метки про-

и изучены. Однако практическое применение

игрывают железозапасающим инкапсулинам в

инкапсулинов в области биотехнологии ста-

емкости (ферритин способен накопить около

новится все более многообещающим. Такие

3000 атомов железа, в то время как инкапсулин

свойства нанокомпартментов, как небольшой

Q. thermotolerans - на порядок больше). Другим

БИОХИМИЯ том 88 вып. 1 2023

ПРИМЕНЕНИЕ ИНКАПСУЛИНОВ В БИОТЕХНОЛОГИИ

вопросом, касающимся применения различ-

ресной альтернативой конвенциональным на-

ных наноконтейнерных систем на основе ин-

ноплатформам. С каждым годом открываются

капсулинов, является их возможная иммуно-

новые типы инкапсулинов у различных штам-

генность in vivo. Предполагается, что частично

мов бактерий и архей, в свете чего дальней-

эта проблема может быть решена путем покры-

шее исследование этих структур и их свойств

тия инкапсулинов ПЭГом. В настоящее время

видится весьма перспективным для широкого

in vivo оценки иммуногенности инкапсулинов,

круга биомедицинских задач.

выделенных из бактерий или эукариотиче-

ских клеток, не было проведено, однако было

Вклад авторов. Н.С. Чмелюк, В.В. Ода -

показано, что уже упомянутые в настоящем

написание текста, подготовка иллюстраций;

обзоре злокачественные клетки карциномы

А.Н. Габашвили, М.А. Абакумов - редактиро-

молочной железы мыши 4Т1, стабильно экс-

вание текста.

прессирующие гены инкапсулиновой системы

Финансирование. Работа выполнена при

Q. thermotolerans, успешно формировали под-

финансовой поддержке Российского научного

кожные опухоли после имплантации иммуно-

фонда (грант № 21-75-00096).

компетентным мышам, а динамика роста этих

Конфликт интересов. Авторы заявляют об

опухолей не отличалась от динамики роста

отсутствии конфликта интересов.

опухолей, полученных из клеток 4Т1, не содер-

Соблюдение этических норм. Настоящая

жащих каких-либо трансгенов.

статья не содержит описания каких-либо ис-

Несмотря на вышеописанные недостатки,

следований с участием людей или животных

инкапсулины уже сейчас показали себя инте- в качестве объектов.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Valdes-Stauber, N., and Scherer, S.

(1994)

7. Kawamoto, S., Watanabe, M., Saito, N., Hesketh, A.,

Isolation and characterization of linocin M18, a

Vachalova, K., et al. (2001) Molecular and functional

bacteriocin produced by Brevibacterium linens, Appl.

analyses of the gene (eshA) encoding the 52-kilodalton

Environ. Microbiol.,

60,

3809-3814, doi:

10.1128/

protein of Streptomyces coelicolor A3(2) required for

aem.60.10.3809-3814.1994.

antibiotic production, J. Bacteriol., 183, 6009-6016,

2. Rosenkrands, I., Rasmussen, P. B., Carnio, M.,

doi: 10.1128/JB.183.20.6009-6016.2001.

Jacobsen, S., Theisen, M., et al. (1998) Identification

8. Kwak, J., McCue, L. A., Trczianka, K., and Kendrick,

and characterization of a 29-kilodalton protein from

K. E. (2001) Identification and characterization of a

Mycobacterium tuberculosis culture filtrate recognized

developmentally regulated protein, EshA, required

by mouse memory effector cells, Infect. Immun., 66,

for sporogenic hyphal branches in Streptomyces

2728-2735, doi: 10.1128/iai.66.6.2728-2735.1998.

griseus, J. Bacteriol., 183, 3004-3015, doi: 10.1128/

3. Hicks, P. M., Rinker, K. D., Baker, J. R., and Kelly,

JB.183.10.3004-3015.2001.

R. M.

(1998) Homomultimeric protease in the

9. Saito, N., Matsubara, K., Watanabe, M., Kato,

hyperthermophilic bacterium Thermotoga maritima

F., and Ochi, K. (2003) Genetic and biochemical

has structural and amino acid sequence homology to

characterization of EshA, a protein that forms large

bacteriocins in mesophilic bacteria, FEBS Lett., 440,

multimers and affects developmental processes in

393-398, doi: 10.1016/S0014-5793(98)01451-3.

Streptomyces griseus, J. Biol. Chem., 278, 5902-5911,

4. Giessen, T. W., and Silver, P. A. (2017) Widespread

doi: 10.1074/jbc.M208564200.

distribution

encapsulin nanocompartments

10. Sutter, M., Boehringer, D., Gutmann, S., Günther,

reveals functional diversity, Nat. Microbiol., 2, 17029,

S., Prangishvili, D., et al.

(2008) Structural

doi: 10.1038/nmicrobiol.2017.29.

basis of enzyme encapsulation into a bacterial

5. Winter, N., Triccas, J. A., Rivoire, B., Pessolani, M.

nanocompartment, Nat. Struct. Mol. Biol., 15, 939-

C. V., Eiglmeier, K., et al. (1995) Characterization

947, doi: 10.1038/nsmb.1473.

of the gene encoding the immunodominant 35 kDa

11. Namba, K., Hagiwara, K., Tanaka, H., Nakaishi, Y.,

protein of Mycobacterium leprae, Mol. Microbiol., 16,

Chong, K. T., et al. (2005) Expression and molecular

865-876, doi: 10.1111/j.1365-2958.1995.tb02314.x.

characterization of spherical particles derived from

6. Triccas, J. A., Roche, P. W., Winter, N., Feng, C. G.,

the genome of the hyperthermophilic euryarchaeote

Ruth Butlin, C., et al. (1996) A 35-kilodalton protein

Pyrococcus furiosus, J. Biochem.,

138,

193-199,

is a major target of the human immune response to

doi: 10.1093/jb/mvi111.

Mycobacterium leprae, Infect. Immun., 64, 5171-5177,

12. Akita, F., Chong, K. T., Tanaka, H., Yamashita,

doi: 10.1128/iai.64.12.5171-5177.1996.

E., Miyazaki, N., et al. (2007) The crystal structure

БИОХИМИЯ том 88 вып. 1 2023

ЧМЕЛЮК и др.

of a virus-like particle from the hyperthermophilic

nanocompartment that stores iron and protects

archaeon Pyrococcus furiosus provides insight into the

bacteria from oxidative stress, EMBO J., 33, 1896-

evolution of viruses, J. Mol. Biol., 368, 1469-1483,

1911, doi: 10.15252/embj.201488566.

doi: 10.1016/j.jmb.2007.02.075.

24. He, D., Hughes, S., Vanden-Hehir, S., Georgiev, A.,

13. Moon, H., Lee, J., Min, J., and Kang, S. (2014)

Altenbach, K., et al. (2016) Structural characterization

Developing genetically engineered encapsulin protein

of encapsulated ferritin provides insight into iron

cage nanoparticles as a targeted delivery nanoplatform,

storage in bacterial nanocompartments, Elife,

Biomacromolecules,

15,

3794-3801, doi:

10.1021/

e18972, doi: 10.7554/eLife.18972.

bm501066m.

25. Ochoa, J. M., Bair, K., Holton, T., Bobik, T. A.,

14. Rurup, W. F., Snijder, J., Koay, M. S. T., Heck, A.

and Yeates, T. O. (2021) MCPdb: The bacterial

J. R., and Cornelissen, J. J. L. M. (2014) Self-sorting

microcompartment database, PLoS One,

16,

of foreign proteins in a bacterial nanocompartment,

e0248269, doi: 10.1371/journal.pone.0248269.

J. Am. Chem. Soc., 136, 3828-3832, doi: 10.1021/

26. Wikoff, W. R., Liljas, L., Duda, R. L., Tsuruta,

ja410891c.

H., Hendrix, R. W., et al.

(2000) Topologically

15. Snijder, J., Van De Waterbeemd, M., Damoc, E.,

linked protein rings in the bacteriophage HK97

Denisov, E., Grinfeld, D., et al. (2014) Defining the

capsid, Science,

289,

2129-2133, doi:

10.1126/

stoichiometry and cargo load of viral and bacterial

science.289.5487.2129.

nanoparticles by orbitrap mass spectrometry, J. Am.

27. Caspar, D. L., and Klug, A. (1962) Physical principles

Chem. Soc., 136, 7295-7299, doi: 10.1021/ja502616y.

in the construction of regular viruses, Cold Spring

16. Tamura, A., Fukutani, Y., Takami, T., Fujii,

Harb. Symp. Quant. Biol., 27, 1-24, doi: 10.1101/

M., Nakaguchi, Y., et al. (2015) Packaging guest

SQB.1962.027.001.005.

proteins into the encapsulin nanocompartment from

28. Almeida, A. V., Carvalho, A. J., and Pereira, A. S.

Rhodococcus erythropolis N771, Biotechnol. Bioeng.,

(2021) Encapsulin nanocages: protein encapsulation

112, 13-20, doi: 10.1002/bit.25322.

and iron sequestration, Coord. Chem. Rev.,

448,

17. Cassidy-Amstutz, C., Oltrogge, L., Going, C. C.,

214188, doi: 10.1016/j.ccr.2021.214188.

Lee, A., Teng, P., et al. (2016) Identification of a

29. Tracey, J. C., Coronado, M., Giessen, T. W., Lau,

minimal peptide tag for in vivo and in vitro loading of

M. C. Y., Silver, P. A., et al. (2019) The discovery of

encapsulin, Biochemistry, 55, 3461-3468, doi: 10.1021/

twenty-eight new encapsulin sequences, including

acs.biochem.6b00294.

three in anammox bacteria, Sci. Rep., 9, 20122,

18. Choi, B., Moon, H., Hong, S. J., Shin, C., Do, Y.,

doi: 10.1038/s41598-019-56533-5.

et al. (2016) Effective delivery of antigen-encapsulin

30. Giessen, T. W., Orlando, B. J., Verdegaal, A. A.,

nanoparticle fusions to dendritic cells leads to

Chambers, M. G., Gardener, J., et al. (2019) Large

antigen-specific cytotoxic T cell activation and tumor

protein organelles form a new iron sequestration

rejection, ACS Nano, 10, 7339-7350, doi: 10.1021/

system with high storage capacity, Elife, 8, e46070,

acsnano.5b08084.

doi: 10.7554/eLife.46070.

19. Giessen, T. W., and Silver, P. A. (2016) Converting

31. El-Gebali, S., Mistry, J., Bateman, A., Eddy, S. R.,

a natural protein compartment into a nanofactory

Luciani, A., et al. (2019) The Pfam protein families

for the size-constrained synthesis of antimicrobial

database in 2019, Nucleic Acids Res., 47, D427-D432,

silver nanoparticles, ACS Synth. Biol., 5, 1497-1504,

doi: 10.1093/nar/gky995.

doi: 10.1021/acssynbio.6b00117.

32. Nichols, R. J., LaFrance, B., Phillips, N. R., Radford,

20. Sonotaki, S., Takami, T., Noguchi, K., Odaka, M.,

D. R., Oltrogge, L. M., et al. (2021) Discovery and

Yohda, M., et al. (2017) Successful PEGylation of

characterization of a novel family of prokaryotic

hollow encapsulin nanoparticles from: Rhodococcus

nanocompartments involved in sulfur metabolism,

erythropolis N771 without affecting their disassembly

Elife, 10, e59288, doi: 10.7554/eLife.59288.

and reassembly properties, Biomater. Sci., 5, 1082-

33. Wiryaman, T., and Toor, N. (2021) Cryo-EM structure

1089, doi: 10.1039/c7bm00207f.

of a thermostable bacterial nanocompartment, IUCrJ,

21. Rahmanpour, R., and Bugg, T. D. H. (2013) Assembly

8, 342-350, doi: 10.1107/S2052252521001949.

in vitro of Rhodococcus jostii RHA1 encapsulin and

34. Wiryaman, T., and Toor, N. (2022) Recent advances

peroxidase DypB to form a nanocompartment,

in the structural biology of encapsulin bacterial

FEBS J., 280, 2097-2104, doi: 10.1111/febs.12234.

nanocompartments, J. Struct. Biol. X, 6, 100062,

22. Contreras, H., Joens, M. S., McMath, L. M., Le, V.

doi: 10.1016/j.yjsbx.2022.100062.

P., Tullius, M. V., et al. (2014) Characterization of a

35. Ross, J., McIver, Z., Lambert, T., Piergentili, C., Bird,

Mycobacterium tuberculosis nanocompartment and its

J. E., et al. (2022) Pore dynamics and asymmetric

potential cargo proteins, J. Biol. Chem., 289, 18279-

cargo loading in an encapsulin nanocompartment, Sci.

18289, doi: 10.1074/jbc.M114.570119.

Adv., 8, eabj4461, doi: 10.1126/sciadv.abj4461.

23. McHugh, C. A., Fontana, J., Nemecek, D., Cheng,

36. Williams, E. M., Jung, S. M., Coffman, J. L., and Lutz,

N., Aksyuk, A. A., et al. (2014) A virus capsid-like

S. (2018) Pore engineering for enhanced mass transport

БИОХИМИЯ том 88 вып. 1 2023

ПРИМЕНЕНИЕ ИНКАПСУЛИНОВ В БИОТЕХНОЛОГИИ

in encapsulin nanocompartments, ACS Synth. Biol., 7,

pig model of infection, J. Bacteriol., 194, 567-575,

2514-2517, doi: 10.1021/acssynbio.8b00295.

doi: 10.1128/JB.05553-11.

37. Snijder, J., Kononova, O., Barbu, I. M., Uetrecht, C.,

49. Ahmad, M., Roberts, J. N., Hardiman, E. M., Singh,

Rurup, W. F., et al. (2016) Assembly and mechanical

R., Eltis, L. D., et al. (2011) Identification of DypB

properties of the cargo-free and cargo-loaded bacterial

from Rhodococcus jostii RHA1 as a lignin peroxidase,

nanocompartment encapsulin, Biomacromolecules, 17,

Biochemistry, 50, 5096-5107, doi: 10.1021/bi101892z.

2522-2529, doi: 10.1021/acs.biomac.6b00469.

50. Bobik, T. A., Lehman, B. P., and Yeates, T. O. (2015)

38. Putri, R. M., Allende-Ballestero, C., Luque, D.,

Bacterial microcompartments: widespread prokaryotic

Klem, R., Rousou, K. A., et al. (2017) Structural

organelles for isolation and optimization of metabolic

characterization of native and modified encapsulins

pathways, Mol. Microbiol., 98, 193-207, doi: 10.1111/

as nanoplatforms for in vitro catalysis and cellular

mmi.13117.

uptake, ACS Nano, 11, 12796-12804, doi: 10.1021/

51. Green, E. R., and Mecsas, J. (2016) Bacterial se-

acsnano.7b07669.

cretion systems: an overview, Microbiol. Spectr., 4,

39. Kirykowicz, A. M., and Woodward, J. D. (2020) Shot-

doi: 10.1128/microbiolspec.vmbf-0012-2015.

gun EM of mycobacterial protein complexes during

52. Wang, P., Robert, L., Pelletier, J., Dang, W. L., Taddei,

stationary phase stress, Curr. Res. Struct. Biol., 2, 204-

F., et al. (2010) Robust growth of Escherichia coli, Curr.

212, doi: 10.1016/j.crstbi.2020.09.002.

Biol., 20, 1099-1103, doi: 10.1016/j.cub.2010.04.045.

40. Tang, Y., Mu, A., Zhang, Y., Zhou, S., Wang, W.,

53. Gong, J., Chen, M., Zheng, Y., Wang, S., and

et al. (2021) Cryo-EM structure of Mycobacterium

Wang, Y. (2012) Polymeric micelles drug delivery

smegmatis DyP-loaded encapsulin, Proc. Natl. Acad.

system in oncology, J. Control. Release, 159, 312-323,

Sci., 118, e2025658118, doi: 10.1073/pnas.2025658118.

doi: 10.1016/j.jconrel.2011.12.012.

41. LaFrance, B. J., Cassidy-Amstutz, C., Nichols, R. J.,

54. Rösler, A., Vandermeulen, G. W. M., and Klok, H.

Oltrogge, L. M., Nogales, E., et al. (2021) The encap-

A. (2012) Advanced drug delivery devices via self-

sulin from Thermotoga maritima is a flavoprotein with

assembly of amphiphilic block copolymers, 53, 95-108,

a symmetry matched ferritin-like cargo protein, Sci.

Adv. Drug Deliv. Rev., doi: 10.1016/j.addr.2012.09.026.

Rep., 11, 22810, doi: 10.1038/s41598-021-01932-w.

55. Allen, T. M., and Cullis, P. R. (2013) Liposomal drug

42. Sigmund, F., Pettinger, S., Kube, M., Schneider, F.,

delivery systems: from concept to clinical applications,

Schifferer, M., et al. (2019) Iron-sequestering nano-

Adv. Drug Deliv. Rev.,

65,

36-48, doi:

10.1016/

compartments as multiplexed electron microscopy

j.addr.2012.09.037.

gene reporters, ACS Nano, 13, 8114-8123, doi: 10.1021/

56. Wang, A. Z., Langer, R., and Farokhzad, O. C.

acsnano.9b03140.

(2012) Nanoparticle delivery of cancer drugs, Annu.

43. Imlay, J. A., Chin, S. M., and Linn, S. (1988) Toxic

Rev. Med.,

63,

185-198, doi:

10.1146/annurev-

DNA damage by hydrogen peroxide through the

med-040210-162544.

fenton reaction in vivo and in vitro, Science, 240, 640-

57. Haag, R., and Kratz, F. (2006, February 13) Polymer

642, doi: 10.1126/science.2834821.

therapeutics: Concepts and applications, Angew. Chemie

44. Andrews, S. C. (1998) Iron storage in bacteria, Adv.

Int. Ed., 45, 1198-215, doi: 10.1002/anie.200502113.

Microb. Physiol., 40, 281-351, doi: 10.1038/279015a0.

58. Ma, Y., Nolte, R. J. M., and Cornelissen, J. J. L. M.

45. Goulding, C. W., Apostol, M. I., Sawaya, M. R.,

(2012) Virus-based nanocarriers for drug delivery,

Phillips, M., Parseghian, A., et al. (2005) Regulation by

Adv. Drug Deliv. Rev., 64, 811-825, doi: 10.1016/

oligomerization in a mycobacterial folate biosynthetic

j.addr.2012.01.005.

enzyme, J. Mol. Biol., 349, 61-72, doi: 10.1016/

59. MaHam, A., Tang, Z., Wu, H., Wang, J., and Lin,

j.jmb.2005.03.023.

(2009) Protein-based nanomedicine platforms

46. Sugano, Y., Muramatsu, R., Ichiyanagi, A., Sato, T.,

for drug delivery, Small, 5, 1706-1721, doi: 10.1002/

and Shoda, M. (2007) DyP, a unique dye-decolorizing

smll.200801602.

peroxidase, represents a novel heme peroxidase family:

60. Brigger, I., Dubernet, C., and Couvreur, P. (2002)

ASP171 replaces the distal histidine of classical peroxi-

Nanoparticles in cancer therapy and diagnosis,

dases, J. Biol. Chem., 282, 36652-36658, doi: 10.1074/

Adv. Drug Deliv. Rev., 54, 631-651, doi: 10.1016/

jbc.M706996200.

S0169-409X(02)00044-3.

47. Pandey, R., and Rodriguez, G. M. (2012) A ferritin

61. Toita, R., Murata, M., Tabata, S., Abe, K., Narahara,

mutant of Mycobacterium tuberculosis is highly suscep-

S., et al. (2012) Development of human hepatocellu-

tible to killing by antibiotics and is unable to establish

lar carcinoma cell-targeted protein cages, Bioconjug.

a chronic infection in mice, Infect. Immun., 80, 3650-

Chem., 23, 1494-1501, doi: 10.1021/bc300015f.

3659, doi: 10.1128/IAI.00229-12.

62. Toita, R., Murata, M., Abe, K., Narahara, S., Piao, J.

48. Reddy, P. V., Puri, R. V., Khera, A., and Tyagi,

S., et al. (2013) A nanocarrier based on a genetically

A. K. (2012) Iron storage proteins are essential for

engineered protein cage to deliver doxorubicin to hu-

the survival and pathogenesis of Mycobacterium

man hepatocellular carcinoma cells, Chem. Commun.,

tuberculosis in THP-1 macrophages and the guinea

49, 7442-7444, doi: 10.1039/c3cc44508a.

БИОХИМИЯ том 88 вып. 1 2023

ЧМЕЛЮК и др.

63. Diaz, D., Vidal, X., Sunna, A., and Care, A. (2021)

75. Di Corato, R., Gazeau, F., Le Visage, C., Fayol, D.,

Bioengineering a light-responsive encapsulin nano-

Levitz, P., et al. (2013) High-resolution cellular MRI:

reactor: a potential tool for in vitro photodynamic

gadolinium and iron oxide nanoparticles for in-depth

therapy, ACS Appl. Mater. Interfaces, 13, 7977-7986,

dual-cell imaging of engineered tissue constructs, ACS

doi: 10.1021/acsami.0c21141.

Nano, 7, 7500-7512, doi: 10.1021/nn401095p.

64. Van de Steen, A., Khalife, R., Colant, N., Mustafa

76. Schrepfer, S., Deuse, T., Reichenspurner, H.,

Khan, H., Deveikis, M., et al. (2021) Bioengineering

Fischbein, M. P., Robbins, R. C., et al. (2007) Stem

bacterial encapsulin nanocompartments as targeted

cell transplantation: the lung barrier, Transplant. Proc.,

drug delivery system, Synth. Syst. Biotechnol., 6, 231-

39, 573-576, doi: 10.1016/j.transproceed.2006.12.019.

241, doi: 10.1016/j.synbio.2021.09.001.

77. Michalet, X., Pinaud, F. F., Bentolila, L. A., Tsay,

65. Moon, H., Lee, J., Kim, H., Heo, S., Min, J., et al.

J. M., Doose, S., et al. (2005) Quantum dots for live

(2014) Genetically engineering encapsulin protein

cells, in vivo imaging, and diagnostics, Science, 307,

cage nanoparticle as a SCC-7 cell targeting optical

538-544, doi: 10.1126/science.1104274.

nanoprobe, Biomater. Res.,

18,

21, doi:

10.1186/

78. Kalchenko, V., Shivtiel, S., Malina, V., Lapid, K.,

2055-7124-18-21.

Haramati, S., et al. (2006) Use of lipophilic near-

66. Jung, Y., Kang, H. J., Lee, J. M., Jung, S. O., Yun,

infrared dye in whole-body optical imaging of hema-

W. S., et al. (2008) Controlled antibody immobiliza-

topoietic cell homing, J. Biomed. Opt., 11, 050507,

tion onto immunoanalytical platforms by synthetic

doi: 10.1117/1.2364903.

peptide, Anal. Biochem., 374, 99-105, doi: 10.1016/

79. Himes, N., Min, J. Y., Lee, R., Brown, C., Shea, J.,

j.ab.2007.10.022.

et al. (2004) In vivo MRI of embryonic stem cells in a

67. Lagoutte, P., Mignon, C., Stadthagen, G.,

mouse model of myocardial infarction, Magn. Reson.

Potisopon, S., Donnat, S., et al. (2018) Simultaneous

Med., 52, 1214-1219, doi: 10.1002/mrm.20220.

surface display and cargo loading of encapsulin

80. Arbab, A. S., Bashaw, L. A., Miller, B. R., Jordan,

nanocompartments and their use for rational vaccine

E. K., Bulte, J. W. M., et al. (2003) Intracytoplas-

design, Vaccine,

36,

3622-3628, doi:

10.1016/

mic tagging of cells with ferumoxides and transfec-

j.vaccine.2018.05.034.

tion agent for cellular magnetic resonance imaging

68. Cho, K. J., Schepens, B., Seok, J. H., Kim, S., Roose,

after cell transplantation: methods and techniques,

K., et al. (2015) Structure of the extracellular domain

Transplantation,

76,

1123-1130, doi:

10.1097/

of matrix protein 2 of influenza A virus in complex

01.TP.0000089237.39220.83.

with a protective monoclonal antibody, J. Virol., 89,

81. Frank, J. A., Miller, B. R., Arbab, A. S., Zywicke, H. A.,

3700-3711, doi: 10.1128/jvi.02576-14.

Jordan, E. K., et al. (2003) Clinically applicable labeling

69. Putri, R. M., Fredy, J. W., Cornelissen, J. J. L. M.,

of mammalian and stem cells by combining superpara-

Koay, M. S. T., and Katsonis, N. (2016) Labelling

magnetic iron oxides and transfection agents, Radiolo-

bacterial nanocages with photo-switchable fluoro-

gy, 228, 480-487, doi: 10.1148/radiol.2281020638.

phores, ChemPhysChem, 17, 1815-1818, doi: 10.1002/

82. Bos, C., Delmas, Y., Desmoulière, A., Solanilla, A.,

cphc.201600013.

Hauger, O., et al. (2004) In vivo MR imaging of intra-

70. Klajn, R. (2014) Spiropyran-based dynamic materials,

vascularly injected magnetically labeled mesenchymal

Chem. Soc. Rev., 43, 148-184, doi: 10.1039/c3cs60181a.

stem cells in rat kidney and liver, Radiology, 233, 781-

71. Künzle, M., Mangler, J., Lach, M., and Beck, T.

789, doi: 10.1148/radiol.2333031714.

(2018) Peptide-directed encapsulation of inorganic

83. Di Tucci, A. A., Matta, G., Deplano, S., Gabbas,

nanoparticles into protein containers, Nanoscale, 10,

A., Depau, C., et al. (2008) Myocardial iron overload

22917-22926, doi: 10.1039/c8nr06236f.

assessment by T2* magnetic resonance imaging in

72. Zhang, Y., Wang, X., Chu, C., Zhou, Z., Chen, B., et

adult transfusion dependent patients with acquired

al. (2020) Genetically engineered magnetic nanocages

anemias, Haematologica, 93, 1385-1388, doi: 10.3324/

for cancer magneto-catalytic theranostics, Nat.

haematol.12759.

Commun., 11, 5421, doi: 10.1038/s41467-020-19061-9.

84. Ittrich, H., Lange, C., Tögel, F., Zander, A. R., Dahn-

73. Wang, Q., Zhou, Y.-M., Xing, C.-Y., Li, W.-C., Shen,

ke, H., et al. (2007) In vivo magnetic resonance imaging

Y., et al. (2022) Encapsulins from Ca. Brocadia fulgida:

of iron oxide-labeled, arterially-injected mesenchymal

An effective tool to enhance the tolerance of engineered

stem cells in kidneys of rats with acute ischemic kidney

bacteria (pET-28a-cEnc) to Zn²⁺, J. Hazard. Mater.,

injury: detection and monitoring at 3T, J. Magn. Reson.

435, 128954, doi: 10.1016/j.jhazmat.2022.128954.

Imaging, 25, 1179-1191, doi: 10.1002/jmri.20925.

74. Kim, T., Momin, E., Choi, J., Yuan, K., Zaidi, H., et

85. Massoud, T. F., and Gambhir, S. S. (2003) Molecular

al. (2011) Mesoporous silica-coated hollow manganese

imaging in living subjects: seeing fundamental

oxide nanoparticles as positive T1 contrast agents

biological processes in a new light, Genes Dev., 17,

for labeling and MRI tracking of adipose-derived

545-580, doi: 10.1101/gad.1047403.

mesenchymal stem cells, J. Am. Chem. Soc., 133,

86. Wu, J. C., Tseng, J. R., and Gambhir, S. S. (2004)

2955-2961, doi: 10.1021/ja1084095.

Molecular imaging of cardiovascular gene prod-

БИОХИМИЯ том 88 вып. 1 2023

ПРИМЕНЕНИЕ ИНКАПСУЛИНОВ В БИОТЕХНОЛОГИИ

ucts, J. Nucl. Cardiol., 11, 491-505, doi: 10.1016/

engineering, Nat. Commun., 9, 1990, doi: 10.1038/

j.nuclcard.2004.04.004.

s41467-018-04227-3.

87. Contag, C. H., Jenkins, D., Contag, P. R., and

97. Efremova, M. V, Bodea, S.-V., Sigmund, F., Semkina,

Negrin, R. S. (2000) Use of reporter genes for optical

A., Westmeyer, G. G., et al. (2021) Genetically encoded

measurements of neoplastic disease in vivo, Neoplasia,

self-assembling iron oxide nanoparticles as a possible

2, 41-52, doi: 10.1038/sj.neo.7900079.

platform for cancer-cell tracking., Pharmaceutics, 13,

88. Herschman, H. R. (2004) Noninvasive imaging of

397, doi: 10.3390/pharmaceutics13030397.

reporter gene expression in living subjects, Adv. Cancer

98. Gabashvili, A. N., Vodopyanov, S. S., Chmelyuk, N.

Res., 92, 29-80, doi: 10.1016/S0065-230X(04)92003-9.

S., Sarkisova, V. A., Fedotov, K. A., et al. (2021) En-

89. Inubushi, M., and Tamaki, N. (2007) Radionuclide

capsulin based self-assembling iron-containing protein

reporter gene imaging for cardiac gene therapy,

nanoparticles for stem cells MRI visualization., Int. J.

Eur. J. Nucl. Med. Mol. Imaging, 34 Suppl 1, S27-S33,

Mol. Sci., 22, 12275, doi: 10.3390/ijms222212275.

doi: 10.1007/s00259-007-0438-x.

99. Gabashvili, A. N., Efremova, M. V., Vodopyanov, S.

90. Joo, H. K., and Chung, J. K. (2008) Molecular-

S., Chmelyuk, N. S., Oda, V. V., et al. (2022) New

genetic imaging based on reporter gene expression,

approach to non-invasive tumor model monitoring

J. Nucl. Med., 49 Suppl 2, 164S-179S, doi: 10.2967/

via self-assemble iron containing protein nanocom-

jnumed.107.045955.

partments, Nanomaterials, 12, 1657, doi: 10.3390/

91. Gambhir, S. S., Barrio, J. R., Phelps, M. E., Iyer,

nano12101657.

M., Namavari, M., et al. (1999) Imaging adenoviral-

100. Roy, N., Gaur, A., Jain, A., Bhattacharya, S., and

directed reporter gene expression in living animals with

Rani, V. (2013) Green synthesis of silver nanopar-

positron emission tomography, Proc. Natl. Acad. Sci.

ticles: an approach to overcome toxicity, Environ.

USA, 96, 2333-2338, doi: 10.1073/pnas.96.5.2333.

Toxicol. Pharmacol.,

36,

807-812, doi:

10.1016/j.

92. Phelps, M. E. (2000) Positron emission tomography

etap.2013.07.005.

provides molecular imaging of biological processes,

101. Jenkins, M. C., and Lutz, S. (2021) Encapsulin nano-

Proc. Natl. Acad. Sci. USA,

97,

9226-9233,

containers as versatile scaffolds for the development of

doi: 10.1073/pnas.97.16.9226.

artificial metabolons, ACS Synth. Biol., 10, 857-869,

93. Zhang, S. J., and Wu, J. C. (2007) Comparison of

doi: 10.1021/acssynbio.0c00636.

imaging techniques for tracking cardiac stem cell

102. Maity, B., Fujita, K., and Ueno, T. (2015) Use of the

therapy, J. Nucl. Med., 48, 1916-1919, doi: 10.2967/

confined spaces of apo-ferritin and virus capsids as

jnumed.107.043299.

nanoreactors for catalytic reactions, Curr. Opin. Chem.

94. Okada, S., Ishii, K., Yamane, J., Iwanami, A.,

Biol., 25, 88-97, doi: 10.1016/j.cbpa.2014.12.026.

Ikegami, T., et al. (2005) In vivo imaging of engrafted

103. Safont-Sempere, M. M., Fernández, G., and

neural stem cells: its application in evaluating the

Würthner, F.

(2011) Self-sorting phenomena in

optimal timing of transplantation for spinal cord injury,

complex supramolecular systems, Chem. Rev., 111,

FASEB J., 19, 1839-1841, doi: 10.1096/fj.05-4082fje.

5784-5814, doi: 10.1021/cr100357h.

95. Gilad, A. A., Winnard, P. T., van Zijl, P. C. M., and

104. Ai, H. W., Henderson, J. N., Remington, S. J.,

Bulte, J. W. M. (2007) Developing MR reporter genes:

and Campbell, R. E.

(2006) Directed evolution

promises and pitfalls, NMR Biomed., 20, 275-290,

of a monomeric, bright and photostable version

doi: 10.1002/nbm.1134.

of Clavularia cyan fluorescent protein: structur-

96. Sigmund, F., Massner, C., Erdmann, P., Stelzl, A.,

al characterization and applications in fluorescence

Rolbieski, H., et al. (2018) Bacterial encapsulins

imaging, Biochem. J., 400, 531-540, doi: 10.1042/

as orthogonal compartments for mammalian cell

BJ20060874.

ENCAPSULINS: STRUCTURE, PROPERTIES,

APPLICATION IN BIOTECHNOLOGY

Review

N. S. Chmelyuk^1,2, V. V. Oda¹, A. N. Gabashvili¹, and M. A. Abakumov^1,2*

¹ National Research Technological University “MISiS”,

119049 Moscow, Russia; E-mail: abakumov1988@gmail.com

² Russian National Research Medical University named after N.I. Pirogov

of the Ministry of Health of the Russian Federation, 117977 Moscow, Russia

БИОХИМИЯ том 88 вып. 1 2023