Квантово-химическое изучение молекулярной структуры микотоксинов зерна пшеницы

Агропромышленный комплекс Уральского федерального округа (АПК УрФО) является важным социально-экономический сектором, который обеспечивает лидерские позиции в части устойчивого развития сельских территорий. В настоящее время на фоне глобального изменения климата все более наблюдается активная динамика распространения на зерновых культурах токсинообразующих грибов и роста их вторичных метаболитов. На масштабы загрязнения оказывают влияние температура и влажность, что определяет активность опасных микромицетов сельскохозяйственных культур, что проявля- ется при нарушении условий хранения урожая. Представленная выше ситуация большей частью применительно к зерновому сырью требует глубокого изучения с целью готовности производителей сырья к сохранению объемов полученного урожая на всех этапах товародвижения в цепочке от поля до конечного потребителя [3].

Стоит отметить, что плесневые грибы родов Aspergillus, Penicillium и Fusarium продуцируют микотоксины. Например, Афлатоксин B1 продуцируется некоторыми видами микроскопических плесневых грибов (микроми-цетов) рода Аспергилл (Aspergillus flavus, Aspergillus parasiticus). Микотоксины, такие как дезоксиниваленол (ДОН), зеараленон, Т-2 токсин продуцируются некоторыми видами микроскопических плесневых грибов Fusarium [4, 5, 7]. Важно понимать, что основная проблема обеспечения безопасности продуктов переработки зерна связана с негативным воздействием даже низких концентраций различных микотоксинов, как индивидуально, так и при их совместном присутствии в продукции. Микотоксины имеют накопительный эффект в организме человека, попадая по пищевой цепи даже при минимальном содержании, через десятилетия могут провоцировать тяжелые заболевания, в том числе онкологические.

Особую опасность представляют маскированные и модифицированные микотоксины. Маскированные микотоксины являются продуктами биохимических реакций, в которых микотоксины связываются с гликозидами, глюкуронидами, сложными эфирами жирных кислот и белками. Реакции происходят в организме растения-хозяина для снижения токсичности микотоксинов. Благодаря таким модификациям маскированные микотоксины не обнаруживаются с помощью обычных методов. В организме человека и животных маскированные микотоксины расщепляются с высвобождением микотоксинов. Проблема поиска новых эффективных и в то же время экологически безопасных способов снижения загрязненности сельскохозяйственной продукции токсигенными плесенями и продуктами их метаболизма остается чрезвычайно актуальной. В связи с этим возникает необходимость разработки инновационных методов обеззараживания зерновых масс, но обоснование возможности трансформации токсиген-ных микромицетов и продуцируемых микотоксинов требует детализированного изучения на молекулярном уровне. Квантовохимические методы позволяют на основе законов квантовой механики изучить объект (молекулу, систему), а также поведение электронов и ядер внутри атомов и молекул, определять электронную структуру, прогнозировать свойства и моделировать химические реакции. В квантовой химии существует множество методов, которые можно разделить на несколько групп (неэмпирические, полуэмпи-рические, методы теории функционала плотности (DFT), гибридные методы) [1, 2].

Целью исследования является изучение геометрических параметров, стабильности, реактивности молекул микотоксинов, определяющих риски для качества и безопасности зерна пшеницы.

Объекты и методы исследования

В качестве объектов исследований определены вторичные метаболиты токсигенных микромицетов - Афлатоксин B1, Дезоксиниваленол (ДОН), Зеараленон (ЗЕН) и Т-2 токсин, нормируемые в зерне пшеницы и продуктах переработки.

Для изучения геометрических параметров, стабильности, реактивности молекул проводились квантово-химический расчеты с использованием полуэмпирических методов теории функционала плотности, в программном обеспечении xTB версия 6.7.1 (метода плотного связывания). Исходные данные о микотоксинах для квантово-химических расчетов были получены при помощи базы данных PubChem. На первом этапе была проведена оптимизации геометрии с последующим расчетом молекулярной энергии молекул микотоксинов.

В рамках программного обеспечения xTB был выбран полуэмпирический метод жёсткой связи GFN2-xTB, предназначенный для быстрого расчёта энергии молекулярных систем, включающих десятки или сотни атомов [10]. В рамках исследования микотоксинов учитывались такие показатели, как общая энергия ( Total energy ), энергия молекулярных орбиталей HOMO и LUMO, размер энергетического зазора HOMO-LUMO ( Homo-LUMO gap), энергия отталкивания электронов (Repulsion energy), вибрационные частоты ИК-спектров, карты электростатического потенциала .

Далее проводилась статистическая обработка полученных данных квантовохимических расчётов молекул, включающая методы анализа результатов вычислений для выявления закономерностей и прогнозирования свойств объектов исследования.

Результаты и их обсуждение

На первом этапе исследования после оптимизации геометрии, которая позволяет найти наиболее стабильную структуру, которая имеет наименьшую энергию, осуществлялся расчет молекулярной энергии молекул микотоксинов (афлатоксин B1, дезоксиниваленол (ДОН), зеараленон, Т-2 токсин). Результаты квантово-химических расчетов микотоксинов с использованием метода GFN2-xTB представлены в табл. 1.

Таблица 1

Результаты квантово-химических расчетов микотоксинов с использованием метода GFN2-xTB

Расчетный параметр	Исследуемые микотоксины
	афлатоксин В1	ДОН	зеараленон	T-2 токсин
Total energy, Eh	–66,91	–66,64	–70,04	–95,94
Energy (HOMO), eV	–10,5590	–10,2796	–10,2924	–10,7203
Energy (LUMO), eV	–8,4061	–7,3719	–7,3905	–6,3588
HOMO-LUMO gap, eV	2,1529	2,9076	2,9018	4,361
Repulsion energy, Eh	0,789	0,673	0,899	1,022

Представленные результаты показывают, что наибольшая общая энергия ( Total energy ) наблюдается у Т-2 токсина и составляет – 95,94 Eh (является наиболее стабильной молекулой по сравнению с представленными выше микотоксиноми). В то время как наименьшая общая энергия была выявлена у де-зоксиниваленола и составляла –66,64 Eh (что демонстрирует более низкую стабильность молекулы).

Стоит отметить, что под HOMO-LUMO gap понимается разница в энергии между высшей занятой молекулярной орбиталью (HOMO) и нижней незанятой молекулярной орбиталью (LUMO) в молекуле.

Наибольшее значение HOMO-LUMO gap наблюдается у Т-2 токсина и составляет 4,361 eV (ед. измерения электронвольты). Таким образом, Т-2 токсин обладает более высокой кинетической стабильностью молекулы и низкой химической реактивностью, так как для возбуждения электрона с HOMO на LUMO требуется больше энергии. В то время как афлатоксин B1 обладает наименьшим значением HOMO-LUMO gap, которое составляет 2,1529 eV (ед. измерения электронвольты). Меньший HOMO-LUMO gap часто коррелирует с повышенной реактивностью, так как для возбуждения требуется меньше энергии. Некоторая локализация молекулярных орбиталей HOMO и LUMO микотоксинов представлена в табл. 2. Представленные данные позволяют фиксировать связывающие, несвязывающие и разрыхляющие молекулярные орбитали.

Наибольшее значение энергии отталкивания (Repulsion energy) определено для Т-2 токсина и составляет 1.022 Eh (Энергия Хар- три). Последовательность, выстроенная по значению показателя, Eh: Т-2 (1,022) > зеара-ленон (0,899) ˃ афлотоксин В1 (0, 789) ˃ ДОН (0,673).

В то же время значение Total energy, Eh определяет аналогичную последовательность: Т-2 (–95,94) > зеараленон (–70,4) ˃ афлоток-син В1 (–66,91) ˃ ДОН (–66,64).

Наибольшее значение Homo-LUMO gap (см. табл. 2) рассчитана для Т-2 ‒ 4.361 eV (ед. измерения электронвольты). Следовательно, Т-2 в составе углеводно-белкового комплекса зерна обладает высокой кинетической стабильностью молекул и низкой химической реактивностью, так как для возбуждения электрона с HOMO на LUMO требуется больше энергии. Таким образом, данный показатель позволяет понять, как энергия отталкивания влияет на стабильность молекул. Чем ближе атомы и чем больше электронов у них, тем выше будет энергия отталкивания [6].

На втором этапе исследования рассчитывались и оценивались теоретически вибрационные частоты ИК-спектров для изучения свойств молекул. Стоит отметить, что вибрационные частоты ИК-спектров важны для изучения стабильности и реакционной способности веществ. Вибрационные частоты ИК-спектров – это частоты, при которых происходит поглощение инфракрасного излучения молекулами вещества в силу колебательных движений атомов и связей. Каждый пик или полоса соответствует определённому типу молекулярных колебаний. Исследуемые теоретически вибрационные частоты ИК-спектров микотоксинов представлены на рисунке.

Таблица 2

Некоторая локализация молекулярных орбиталей HOMO и LUMO микотоксинов с использованием метода GFN2-xTB

Теоретический ИК-спектр афлатоксина В1 демонстрирует выраженную полосу поглощения при волновом значении 1799,8 см–1, что соответствует для растяжения C=O, характерного для вибрации двойной связи углерод – кислород. В то время как для ДОН вибрационные частоты ИК-спектра демонстрируют полосы поглощения при волновых значениях 1722,4 см–1, что характерно для колебаний C=O связи, а также 1141,1 см–1, что демонстрирует колебания C-O связи (полярная ковалентная связь). Зеараленон проявил вибрационные частоты ИК-спектров при волновых числах 2986,2 см–1, что характерно для колебаний C-H группы, 1733,4 см–1 характерно для колебаний C=O связи (двойная ковалентная связь), 1590,7 см–1 – для деформационных колебаний C=С связи, 1181,0 см–1 демонстрирует колебания C-O связи. Для Т-2 токсина вибрационные частоты ИК-спектров находятся при волновых числах 3045,7 см–1, относится к вибрации C-H растяжения, 1769,8 см–1 демонстрирует колебания C=O связи, 1208,8 см–1 демонстрирует колебания C-O связи [8].

Карты электростатического потенциала микотоксинов, демонстрирующие трёхмерное распределение зарядов молекул, позволяют визуализировать чередующиеся заряженные области молекулы. Величину электростатического потенциала отражает интенсивность цвета, позволяя визуально анализировать распределение и силу электростатических сил

c)

a)

b)

d)

Вибрационные частоты ИК-спектров и карты электростатического потенциала микотоксинов: a – афлатоксин В1; b – ДОН (дезоксиниваленол); c – зеараленон; d – Т-2 токсин внутри молекулы [1, 2, 6, 9]. На картах показан максимальный уровень электростатического потенциала для Т-2 токсина (преобладает в большей степени зеленый цвет). Для всех микотоксинов наблюдается красный цвет, что свидетельствует об участках с минимальным электростатическим потенциалом молекул, характеризующим слабую связь или избыток электронов. Также наблюдаются синие участки на картах электростатического потенциала афлатоксина В1, дезоксиниваленола, зеарале-нона, указывающие на положительный электростатический потенциал. Представленные карты показывают трёхмерное распределение зарядов молекул, что важно для изучения их структуры и свойств. Полученные теоретически рассчитанные вибрационные частоты ИК-спектров микотоксинов важны для понимания природы колебаний отдельных функциональных групп в сложных молекулярных системах.

Выводы по результатам работы

Квантово-химические методы открывают новые возможности для исследования микотоксинов и их свойств благодаря применению принципов квантовой механики. Полученный массив данных с использованием квантовохимических расчетов методом GFN2-xTB позволил изучить не только геометрические параметры конструкций изученных микотоксинов, но также стабильность, реактивность молекул афлатоксина B1, дезоксиниваленола, зеараленона, Т-2 токсина, оказывающие риски снижения качества и безопасности зерна пшеницы, полученного в экстремальных погодных условиях.

Кроме того, полученные данные будут полезны для дальнейшего изучения силы взаимодействия микотоксинов с клейковинными белками зерна пшеницы.