ВЗАИМОСВЯЗЬ САМООРГАНИЗАЦИИ И БИОЛОГИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ ВЫСОКОРАЗБАВЛЕННЫХ РАСТВОРОВ ТЕТРАГИДРАЗИДНОГО ПРОИЗВОДНОГО ТЕТРАТИАКАЛИКС[4]АРЕНА

ВАЛИТОВА Ю.Н.; ВОЛОШИНА А.Д.; ЗОБОВ В.В.; КИСЕЛЕВА Ю.В.; КОНОВАЛОВ А.И.; КУЛИК Н.В.; МИШИНА О.А.; ПОДЪЯЧЕВ С.Н.; РЫЖКИНА И.С.; СУДАКОВА С.Н.

ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК, 2015, том 464, № 6, с. 700-704

ФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ

УДК 541.8;547.565.2;541.128.135

ВЗАИМОСВЯЗЬ САМООРГАНИЗАЦИИ И БИОЛОГИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ ВЫСОКОРАЗБАВЛЕННЫХ РАСТВОРОВ ТЕТРАГИДРАЗИДНОГО ПРОИЗВОДНОГО ТЕТРАТИАКАЛИКС[4]АРЕНА

Поступило 08.06.2015 г.

В ходе систематического изучения самоорганизации и свойств разбавленных растворов биологически активных веществ (БАВ) открыто неизвестное ранее явление. Комплексом физико-химических методов впервые показано, что разбавленные водные растворы многих БАВ в широкой области расчетных концентраций (10-6—10-20 М), приготовленные методом последовательного десятичного разбавления из исходного раствора вещества, представляют собой самоорганизованные дисперсные системы, дисперсной фазой в которых являются масштабные наноразмерные молекулярные ансамбли (до 400 нм), названные наноассоциатами [1].

DOI: 10.7868/S0869565215300155

Методами динамического и электрофоретиче-ского рассеяния света (ДРС и ЭРС), атомно-си-ловой микроскопии (АСМ) и анализа траектории наночастиц (АТН) установлено, что большинство исходных водных растворов БАВ (10-5-10-1 М) также представляют собой дисперсные системы, в которых образуются главным образом агрегаты вещества (обычно частицы размером 1—10 нм), но присутствуют и так называемые супрамолеку-лярные домены [1—3] размером в сотни нанометров, состоящие из вещества и, согласно [4, 5], квазикристаллических структур воды.

В работах [1—3, 6, 7] впервые показано, что при соблюдении указанной выше процедуры приготовления растворов по мере разбавления происходит изменение природы доменов с сохранением размерного диапазона в сотни нанометров. В узком интервале разведений, соответствующем расчетным концентрациям приблизительно 10~5— 10-8 М (пороговые концентрации сп), домены претерпевают структурную перестройку, преобразуясь в наноассоциаты. При этом существенно меняются параметры частиц (размер, Z-потенци-ал), немонотонный ход концентрационных зависимостей, топология АСМ-изображений, физико-химические и биологические свойства растворов [1-3, 6, 7].

Институт органической и физической химии им. А.Е. Арбузова Казанского научного центра Российской Академии наук, Казань E-mail: ryzhkina@iopc.ru; irina.s.ryzkina@mail.ru

Непосредственное доказательство различия природы наноассоциатов и супрамолекулярных доменов найдено с помощью экранирующего пермаллоевого контейнера, который защищает содержимое от внешних низкочастотных электромагнитных полей (ЭМП). Показано, что образование наноассоциатов в высокоразбавленных (10-6—10-20 М) растворах происходит только при выдерживании растворов в естественных условиях. При выдерживании растворов в пермаллоевом контейнере образование наноассоциатов не происходит. Таким образом, для формирования нано-ассоциатов необходимы внешние низкочастотные ЭМП, являющиеся неотъемлемой составной частью обычной, естественной среды обитания живых организмов. Домены, обнаруженные в интервале 10-1—10-5 М, образуются при выдерживании растворов как на лабораторном столе, так и в пермаллоевом контейнере (в гипоэлектромагнит-ных условиях), то есть в присутствии и в отсутствие низкочастотных ЭМП [1—3, 6, 7].

Установлено, что формирование супрамолеку-лярных доменов и наноассоциатов обусловливает возникновение немонотонных концентрационных зависимостей физико-химических свойств и, что особенно интересно и важно, коррелирует с биологическими свойствами высокоразбавлен-ных растворов [1—3, 6—8]. Полученные экспериментальные данные позволили предложить гипотезу о возможности прогнозирования биоэффектов высокоразбавленных растворов БАВ, если для этих растворов установлены нелинейные концентрационные зависимости параметров наноассо-

циатов и физико-химических свойств растворов. В настоящее время эта гипотеза подтверждена на примере растворов транквилизатора мебикара [6], бромида цетилтриметиламмония [7], амфифильного производного каликс[4]резоцина-рена [3].

nh2 nh2 1

Ранее в результате изучения водно-диметил-сульфоксидных растворов находящегося в кон-формации "конус" производного 4-трет-бутил-тетратиакаликс[4]арена с ацетилгидразидными группами 1 установлено, что разбавленные растворы 1 представляют собой самоорганизующиеся дисперсные системы, что обусловливает немонотонное изменение удельной электропроводности и поверхностного натяжения раствора 1 в широком интервале концентраций [9]. Принимая во внимание потенциальную способность разбавленных растворов 1 к проявлению биологической активности, растворы этого соединения выбраны для экспериментальной проверки спрогнозированных биоэффектов и анализа факторов, влияющих на них.

В результате проделанной работы установлено, что в растворах 1 в зависимости от диапазона концентраций образуются мицеллярные агрегаты (5.0 • 10-4 M), супрамолекулярные домены (1.0 • 10—5—1.0 • 10—6 M) и наноассоциаты (2.5 • 10—6— 2.5 • 10-8 М), что приводит к существенным различиям физико-химических свойств растворов в этих интервалах концентраций. При изучении бактериостатической активности растворов 1 в отношении грамположительных бактерий Bacillus subtilis 6633 впервые обнаружено свойство вы-сокоразбавленных растворов 1 изменять профиль зависимости концентрация-биоэффект на противоположный. Показано, что бактериостатиче-ская активность раствора 1 при концентрации 2.5 • 10-4 М связана с образованием мицелл, а стимулирующая активность при 1 • 10-7 М — с образованием наноассоциатов.

Аналогичные изменения биологического эффекта наблюдались при изучении модифицирующего действия раствора 1 на энергетический обмен клеток корней пшеницы. Установлено, что при инкубировании отсеченных корней пшени-

цы в разбавленном растворе 1 в интервале формирования мицелл и супрамолекулярных доменов (5 • 10—4—1 • 10—5 М) наблюдалось подавление, а в интервале образования наноассоциатов с экстремальными параметрами (1 • 10—6—1 • 10—7 М) — заметная стимуляция энергетического обмена корней пшеницы.

Каликсарен 1 синтезировали по ранее описанной нами методике [10]. Данные ИК-, ЯМР 1Н-спектров соответствуют приведенным в данной работе. Приготовление и изучение растворов осуществляли в естественных условиях и в условиях пониженного уровня внешних низкочастотных электромагнитных полей [1] с использованием только свежеприготовленной бидистиллирован-ной воды, в которой анализатором Zetasizer Nano ZS ("Malvern Instruments") фиксировалось полное отсутствие каких-либо частиц. Удельная электропроводность такой воды не превышала 1.5 мкСм • см-1. Поскольку 1 не растворим в воде, использовался водно -диметилсульфоксидный раствор, содержащий 30 об. % ДМСО (марка "х.ч."). Растворы готовили методом последовательных десятичных разбавлений из исходного раствора вещества с концентрацией 1.0 • 10—3 М аналогично [1]. Перемешивание растворов осуществляли с помощью минишейкера IKA lab dancer. Приготовленные к измерению растворы выдерживали в течение 24 ч, а затем непосредственно перед экспериментом 2 ч в условиях тер-мостатирования при 25 ± 0.1°С. Эксперименты по изучению влияния пониженного уровня внешних физических полей на водные растворы выполнены с использованием трехслойного цилиндрического термообработанного контейнера из сплава пермаллоя (с коэффициентом экранирования около 1000).

Изучение действия растворов 1 на рост бактерий in vitro проведено в области концентраций 5 • 104— 1 • 10—8 М. В качестве тест-объекта использовали культуру граммположительных бактерий Bacillus subtilis 6633, полученную из Всероссийской коллекции микроорганизмов (г. Москва). Для культивирования тест-культуры использовали жидкую питательную среду (бульон Хоттинге-ра) [11]. Бактериальная нагрузка в опыте составляла 1 • 104 микробных тел в 1 мл. Посевы инкубировали при 37°С в течение 12—16 ч при постоянном перемешивании. После окончания инкубации проводили измерение оптической плотности суспензии клеток Bacillus subtilis 6633 в контрольных и опытных пробах при помощи цифрового фотоэлектроколориметра АР-101 ("Apel", Япония) в кюветах толщиной 10 мм при длине волны 540 нм. Стимулирующее действие определяли в процентах по сравнению с контролем, в который вместо раствора 1 вносили физиологический раствор.

702

РЫЖКИНА и др.

С мВ В, см 2

X, мкСм • см

-1

0

-2 -4 -6 -8 -10 -12 -14 -16 -18 -20

350 300 250 I" 200 150 Ь 100 50 0

30 25 20 15 10

5

-3

Рис. 1. Зависимости размера (1) и ^-потенциала (2) частиц, удельной электропроводности % (3) растворов от концентрации раствора 1 (сп - пороговая концентрация), 25°С.

При изучении влияния раствора 1 на энергетический обмен растительных клеток объектом исследований служила яровая пшеница сорта "Люба" (ТгШеыт авзИуыт L.), проростки которой выращивали на дистиллированной воде в течение четырех суток. Корни проростков пшеницы сразу после отсечения помещали в рабочие растворы и инкубировали в аппарате Варбурга. Интенсивность дыхания (скорость потребления кислорода отсеченных корней пшеницы) определяли манометрическим методом Варбурга [12]. О выделении и поглощении ионов К+ корневыми клетками судили по изменению содержания калия в инкубационной среде. Измерения проводили на пламенном фотометре ПФМ. Биологическая повторяемость опытов трехкратная. Относительная ошибка измерения интенсивности дыхания не превышала 10%.

Изучение водно-ДМСО (30 об. % ДМСО) растворов 1 по мере разбавления (в области расчетных концентраций 5 • 10-4-1 • 10-8 М) методом динамического светорассеяния (ДСР) показало, что распределение частиц по размерам В носит мономодальный характер. При этом во всем изученном интервале концентраций в растворе образуются стабильные во времени частицы размером от 1 до 350 нм (рис. 1, кривая 1). При исследовании самоорганизации растворов 1, выдержанных в пермаллоевом контейнере, установлено, что концентрация 1 • 10-5 М является пороговой (рис. 1, кривая 1). Таким образом, в интервале концентраций 5 • 10-4-1 • 10-5 М в водно-органическом растворе 1 образуются

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.