научная статья по теме БИОСЕНСОРЫ НА ОСНОВЕ ХИМИЧЕСКИ ИНИЦИИРУЕМОЙ ЭЛЕКТРОНООБМЕННОЙ ЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ КАК АНАЛОГ БИОЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ СВЕТЛЯКА Биология

Текст научной статьи на тему «БИОСЕНСОРЫ НА ОСНОВЕ ХИМИЧЕСКИ ИНИЦИИРУЕМОЙ ЭЛЕКТРОНООБМЕННОЙ ЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ КАК АНАЛОГ БИОЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ СВЕТЛЯКА»

СЕНСОРНЫЕ СИСТЕМЫ, 2004, том 18, № 1, с. 83-91

= БИОСЕНСОРЫ

УДК 577.3; 535.379

БИОСЕНСОРЫ НА ОСНОВЕ ХИМИЧЕСКИ ИНИЦИИРУЕМОЙ ЭЛЕКТРОНООБМЕННОЙ ЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ КАК АНАЛОГ БИОЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ СВЕТЛЯКА

© 2004 г. Р. Ф. Васильев, А. В. Трофимов

Институт биохимической физики РАН 119991, Москва, ул. Косыгина, 4 Поступила в редакцию 23.10.03 г.

Авторами предлагается краткий аналитический обзор современного состояния исследований в области физико-химических основ функционирования хемилюминесцентных биосенсорных систем, применяемых в аналитических методиках физиологии, биофизики, молекулярной биологии и клинической биохимии. Действие рассматриваемых биосенсоров основано на явлении химически инициированной электронообменной хемилюминесценции (ХИЭОЛ), биологическим прототипом которой является биолюминесценция светляка. Основные элементы таких биосенсоров - термически устойчивые ХИЭОЛ-активные (триггерные) диоксетаны, избирательно реагирующие с определенными биомолекулами (триггерами), инициирующими хемилюминесцентный процесс.

Ключевые слова: хемилюминесцентные биосенсоры, триггерные диоксетаны, химически инициируемая электронообменная люминесценция (ХИЭОЛ).

ВВЕДЕНИЕ

Биолюминесценция светляка - восхитительное по красоте явление, описанное еще Аристотелем (Harvey, 1957), играет в живой природе роль средств световой коммуникации этих удивительных насекомых. Коммуникативная функция биолюминесценции охватывает едва ли не все стороны поведения светляков (Lloyd, 1983). В самом деле у светляков можно выделить практически все сигналы, как то территориальные, защитные, сигналы агрессии и световой мимикрии (редкое явление), сигналы видовой принадлежности и половой коммуникации - поисковые и призывные у самцов, готовности и отказа у самок и т.д. (Ланда и др., 1994; 1996). И хотя ни один из отдельно взятых видов светляков не проявляет всего спектра перечисленных биолюминесцентных сигналов, общим для всех этих насекомых является то, что с половым поведением, так или иначе, связана большая часть светового "общения" между особями. Даже феномен световой мимикрии, обнаруженный у хищных самок рода Photuris, основан на имитации сигналов половой готовности самок рода Photinus, обитающего на той же территории (Lloyd, 1965; 1983). (Самцы, Photinus, попадающиеся на такую "приманку", становятся пищей для самок Photuris.)

Параметры световых сигналов (спектральный состав, временные характеристики и интенсивность свечения) отдельных видов светляков отличны друг от друга (Lloyd, 1983). Неудивительны и различия в характеристиках зрительных си-

стем отдельно взятых видов и их способности к восприятию биолюминесцентных сигналов, в частности, их спектральной чувствительности и временном разрешении (Lall, et. al. 1982; 1988; Ланда и др., 1994). Различие спектров (т.е. цвета) биолюминесценции не в последнюю очередь определяется свойствами микроокружения эмиттера биолюминесценции, локализованного на активном центре люциферазы (Угарова, Бровко, 2001).

На клеточном уровне биолюминесценция возникает в фотоцитах, находящихся в брюшке насекомого, как было показано еще в позапрошлом веке (Овсянников, 1868; Угарова, Бровко, 1998).

То, что возникновение биолюминесценции происходит в энзиматическом процессе было предположено МакЭлроем (McElroy, 1947). Им же впервые был выделен субстрат - люциферин (Bitter, McElroy, 1957), каталитическое окисление которого приводит к генерации света, и энзим -люцифераза (Green, McElroy, 1956). Окисление люциферина кислородом воздуха, катализированное люциферазой, совершается при участии АТФ и Mg2+ и представляет собой многостадийный биохимический процесс (Владимиров, 1999; Угарова и др., 1993). В этом процессе сначала происходит обратимое связывание люциферазы с люциферином и MgАТФ, за которым следует необратимое окислением субстрата в энзим-субстратном комплексе, приводящее к образованию промежуточного замещенного диоксетанона (а-перокси-лактона). Диоксетаноны являются подклассом диоксетанов - четырехчленных кислород-углеродных циклов; последние, по образному выра-

83

6*

жению Казакова - "молекулярные световые аккумуляторы", в каждом из которых "заключен" фотон (Казаков и др., 1990). Преобразовать химическую энергию, запасенную в диоксетане (диок-сетаноне), можно, разрушив такой пероксидный цикл термически либо при помощи переноса электрона. Последний способ генерации света в химическом процессе получил название химически инициируемой электронообменной люминесценции (ХИЭОЛ) - явление, впервые обнаруженное Ку и Шустером (Koo, Schuster, 1977). Именно такой процесс скорее всего и реализуется в диоксетаноне -предшественнике эмиттера биолюминесценции светляка (Schuster, 1979), и именно на этом основан принцип дизайна современных хемилюминесцент-ных биосенсоров, который будет рассмотрен в следующем разделе.

Перед тем как перейти к описанию диоксетано-вых биосенсоров, использующих явление ХИЭОЛ, нельзя не остановиться на биосенсорных возможностях их биологического прототипа. Действительно, поскольку люминесценция люциферин-люциферазной системы невозможна без АТФ, препарат люциферина и люциферазы светляка используют в качестве биолюминесцентного сенсора для определения малых количеств АТФ. Современные биолюминесцентные методы позволяют определить вплоть до 10-18 М АТФ в пробе (Владимиров, 1999; Угарова и др., 1993). Поскольку биосинтез АТФ - показатель физиологической активности организмов, люциферин-лю-циферазные препараты находят применение для обнаружения бактериального заражения в какой-либо среде, оценки жизнеспособности эритроцитов при консервировании крови, изучения действия антибиотиков на микроорганизмы и т.д. Биоаналитические возможности люциферин-люциферазных систем не ограничиваются одним лишь определением АТФ (Владимиров, 1999), однако, серьезным

препятствием широкому использованию таких препаратов является их высокая стоимость. Последнее обстоятельство и определило необходимость создания эффективных синтетических систем, использующих те же принципы генерации света, что в процессе биолюминесценции светляка.

ДИЗАЙН ХЕМИЛЮМИНЕСЦЕНТНЫХ БИОСЕНСОРОВ

КАК ДОСТИЖЕНИЕ ФОТОБИОНИКИ

Создание новых хемилюминесцентных биосенсорных систем, использующих явление химически инициируемой электронообменной люминесценции (ХИЭОЛ), можно считать одним из несомненных успехов фотобионики. Дело в том, что структуры предшественника эмиттера биолюминесценции и его синтетического аналога включают в себя сходные функциональные элементы (схема 1) - пероксидный, а именно, диоксетано-вый (в случае биолюминесценции светляка - ди-оксетаноновый) цикл и фенолят-ион. Как было упомянуто выше, диоксетановый (диоксетаноно-вый) фрагмент является источником энергии. В обоих случаях, изображенных на схеме 1, хеми-люминесцентный процесс инициируется переносом электрона (ПЭ) с фенолятного фрагмента на О-О-связь пероксида, вызывая распад этого цикла с последующим испусканием света (Adam, 1996). Чтобы предотвратить спонтанный перенос электрона с фенолят-иона, к последнему изначально присоединяется защитная группа (в простейшем случае - Н, превращая таким образом фенолят-ион в фенол). В биоаналитических целях защитную группу можно подобрать так, чтобы устранение последней было возможно лишь под действием определенного реагента - триггера (Bronstein, 1989). Такой реагент селективно убирает защитную группу, высвобождая фенолят-

Предшественник эмиттера

биолюминесценции светляка Синтетический ХИЭОЛ-активный диоксетан

O

O

\ N

CO2 ^Упэ

•о_

O-O

ПЭ v

-O_

O

*п

Эмиттер биолюминесценции светляка

O

-O ^

O_—- hv

Эмиттер ХИЭОЛ

Схема 1.

Нормированная интенсивность, отн. ед

tBu

100

Флуоресценция tßu_Oo

80 -

60 -

40

20 -

хиэол

400 440 480 520 560

X, нм

LUMO,

H3C

H3CO HOMO 0.06С 0.483

LUMO + 1

0.534 0.060 0.473 0.178 -0.467

tBu

0.058

tB

0.5

38 ^

0.46

0.538 0.053

HOMO

3u O O

MeO O

O-

Рис. 1. Нормированные спектры хемилюминесцен-ции (ХИЭОЛ) диоксетановых фенолят-ионов и флуоресценции оксибензоат-ионов.

Рис. 2. Молекулярные орбитали, участвующие в

процессе электронного (п -► п*) возбуждения

ХИЭОЛ-эмиттеров, рассчитанные АМ1-методом.

0.473

O

O

ион и запуская хемилюминесцентный процесс. Например, защитная группа PO3 устраняется щелочной фосфатазой - популярнейшим в иммунохимии реагентом (Adam, 1996). Следует заметить, что существуют и иные хемилюминесцентные методы определения щелочной фосфатазы, в том числе с использованием люциферина и люциферазы светляка (Geiger, Miska, 1987). Но очевидный недостаток таких методов это то, что ни один из них не является прямым. В то же время использование ХИ-ЭОЛ-активных диоксетанов - прямой способ определения энзиматического триггера.

Стратегия, включающая в себя подбор защитных групп, избирательно реагирующих с определенными биомолекулами, делает синтетические аналоги предшественников эмиттера биолюминесценции избирательными и эффективнейшими биосенсорами (Bronstein, Sparks, 1990); для отдельных биологически важных материалов достижим уровень определения концентраций порядка 10-21 М (Adam et al., 1996).

Понятно, что для рациональной разработки эффективных биосенсорных систем необходимо понимать основные принципы их функционирования. Ниже приводится детальный анализ состояния исследований в данной области на настоящий момент.

ПРИРОДА ЭМИТТЕРА ХИЭОЛ

Тот факт, что лишь арильный фрагмент диок-сетана является предшественником люминофора -эмиттера хемилюминесценции, подтверждается

сравнением спектров ХИЭОЛ со спектрами флуоресценции оксибензоат ионов - предполагаемых ХИЭОЛ-эмиттеров, образующихся из арильных фрагментов триггерных диоксетанов (Adam et. al., 1998). Рисунок 1 иллюстрирует сказанное -спектры флуоресценции оксибензоат-анионов, полученных как из моноциклического, так и би-циклического диоксетанов (диоксетановых фенолят-ионов), совпадают со спектрами ХИЭОЛ этих диоксетанов (Adam, Trofimov, 2002). Оба ок-сибензоат-иона, показанные на рис. 1, обладают одной и той же люминофорной группой, определяющей оптические свойства этих ионов, как видно из совпадения спектров флуоресценции. Тот

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком