CC BY
10_ . KSSBSSSSSS ФИЗИКА БИОТОГИЧЕСКИХ И МЕДИЦИНСКИХ ПРИЛОЖЕНИЙ
-ПРОХОРОвОСИЕ НЕДЕЛИ-
Классификация змеиных ядов с помощью рамановской спектроскопии
Можаева В.А.1'2, Кудрявцев Д.С.2
1- Институт общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наук, Москва 2- Институт биоорганической химии им. академиков М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова Российской академии наук, Москва
Е-mail: veramozhaev@yandex. ru
DOI: 10.24412/cl-35673-2023-1-180-182
Среди нескольких тысяч известных видов змей не все ядовиты; ядовитые змеи в основном принадлежат к семействам Viperidae и Elapidae. Яды представляют собой смеси различных соединений, но преобладающим компонентом являются белки (около 90 %). Среди белков яда, обычно называемых токсинами, выделяют следующие основные семейства: фосфолипазы А2 (PLA2), трехпальцевые токсины (3FTx), металлопротеиназы змеиного яда (SVMP), сериновые протеазы (SVSP) и др.
Определение как межвидовой, так и внутривидовой изменчивости ядов является важной задачей. С терапевтической точки зрения, знание такой изменчивости позволит более эффективно лечить пострадавших от укусов, может помочь в выборе и производстве подходящего противоядия.
Рамановкая спектроскопия — быстрый и универсальный метод исследования различных материалов, который позволяет исследовать характеристики, в нашем случае, белков, имея в распоряжении всего микрограммы образцов. Спектр белка содержит уникальную информацию о его 3D структуре, в том числе о вторичной структуре и некоторых особенностях фолдинга белка. Низкий расход материала делает метод чрезвычайно привлекательным для изучения тех ядов, которые трудно получить в значительных количествах.
Уменьшение размерности спектральных данных и их представление в наглядной форме с использованием метода главных компонент (МГК) и методов кластеризации позволяет быстро классифицировать образцы белковой природы на основе их рамановских спектров [1]. В данной работе мы применили эти методы для анализа спектров сухих образцов ядов различных видов и родов змей из семейств Elapidae и Viperidae.
ШКОЛ А-КОНФЕРЕНЦИЯ
МОЛОДЫХ УЧЁНЫХ
, -ПРОХОРОвСКИЕ НЕДЕЛИ-
24-26 октября 2023 г.
Нами были записаны и обработаны спектры всех ядов, после чего они подверглись МКГ. Полученный график главных компонент (ГК) показан на рис. 1. Далее, чтобы идентифицировать группы ядов, мы применили к этим данным метод к-теа^ кластеризации. В результате обрызцы были разделены на четыре кластера, которые показаны разными цветами на рис. 1. Мы установили, что каждый кластер объединяет яды схожего состава: доминирующие компоненты ядов в группах указаны на рис. 1. Также полученная класстеризация отражает разделение в соответствии с родом змей-источников.
Рис. 1. График ГК, где в скобках указан процент объясненной дисперсии для каждой ГК.
Из рис. 1 видно, что образцы можно также разделить на две большие группы, соответствующие ядам Elapidae и Viperidae (пунктирная линия). Для строгого разделения мы применили метод дискриминантного функционального анализа (ДФА) (а именно, ГК-ДФА). Около 40 % ядов использовались для обучения алгоритма. Оставшиеся образцы были автоматически корректно отнесены к одному из двух семейств (рис. 2).
ШКОЛ А-КОНФЕРЕНЦИЯ
МОЛОДЫХ УЧЁНЫХ
-ПРО«ОРОв<КИЕ НЕДЕЛИ-
ФИЗИКА БИОЛОГИЧЕСКИХ И МЕДИЦИНСКИХ ПРИЛОЖЕНИИ
Рис. 2. График ГК-ДФА. Горизонтальная линия демонстрирует разделение образцов на группы, соответствующие семействам.
В результате, на основании полученных спектральных данных, образцы ядов были разделены на две группы, соответствующие семействам змей Viperidae и Elapidae. Также была проведена более подробная классификация на четыре группы, отражающие состав ядов.
Таким образом, нами был предложен чрезвычайно экономичный экспресс-метод, позволяющий быстро анализировать большое количество ядов, в том числе, редких и исчезающих видов змей. Подход позволяет оценить составы ядов путем их сравнения с уже охарактеризованными ядами.
Авторы выражают благодарность к.ф.-м.н. Прохорову К.А. и д.х.н. Уткину Ю.Н. за участие в работе.
1. Mozhaeva V.A, Kudryavtsev D.S., Prokhorov K.A., et al. Spectrochim. Acta - Part A Mol. Biomol. Spectrosc. 2022. 278. 121276.
