ВЕСТНИК РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК, 2014, том 84, № 8, с. 694- 707
С КАФЕДРЫ ПРЕЗИДИУМА РАН
Б01: 10.7868/80869587314080027
В статье рассматриваются разные варианты создания пространственных нанообъектов на основе двухцепочечных молекул ДНК: физико-химический и нанотехнологический, благодаря которым создаются предпосылки для развития нового направления структурной нанотехнологии. Полученные данные могут быть использованы и в медицине, так как конструируемые нанообъекты способны доставлять лекарственные средства непосредственно в поражённые клетки.
CТPУКТУPНАЯ НАНОТЕXНОЛОГИЯ НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ: СОЗДАНИЕ "ЖИДКИХ" И "ТВЁРДЫХ" НАНОКОНСТРУКЦИЙ ДНК
Ю.М. Евдокимов, В.И. Салянов, Э.В. Штыкова, Е.И. Кац, Н.Г. Хлебцов, С.Г. Скуридин
Бионанотехнология — раздел нанотехнологии, задачей которого является создание пространственных наноконструкций (нанообъектов), характеризуемых "размерными" свойствами, строительными блоками которых являются молекулы биологического происхождения [1]. Несмотря на многообразие биологических молекул, реальные практические результаты, соответствующие приведённому определению, получены в настоящее время лишь в одном направлении, а именно в области нанотехнологии нуклеиновых кислот (НК).
Нанотехнология нуклеиновых кислот — это создание пространственных объектов (наноструктур, наноконструкций) с регулируемыми свойствами на основе молекул НК или их комплексов. Это направление называют также "структурная нанотехнология нуклеиновых кислот" [2]. Нанообъекты, создаваемые на осно-
ЕВДОКИМОВ Юрий Михайлович — доктор химических наук, заведующий лабораторией конденсированного состояния нуклеиновых кислот Института молекулярной биологии (ИМБ) им. В.А. Энгельгардта РАН. САЛЯНОВ Виктор Иванович — кандидат химических наук, старший научный сотрудник ИМБ РАН. ШТЫКОВА Элеонора Владимировна — кандидат биологических наук, старший научный сотрудник Института кристаллографии им. А.В. Шубникова РАН. КАЦ Ефим Иосифович — доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник Института теоретической физики им. Л.Д. Ландау РАН. ХЛЕБ-ЦОВ Николай Григорьевич — доктор физико-математических наук, заведующий лабораторией нанобио-технологии Института биохимии и физиологии растений и микроорганизмов РАН. СКУРИДИН Сергей Геннадьевич — доктор биологических наук, ведущий научный сотрудник ИМБ РАН.
yevdokim@eimb.ru; vsalyanov@yandex.ru; viwopisx@ yahoo.co.uk; kats@landau.ac.ru; nkhlebtsov@gmail.com; lancet-bio@bk.ru
ве молекул НК, должны иметь практическое применение. (Следует обратить внимание на то, что, несмотря на применение таких терминов, как "нановирусы", "нанобелки", "нанолипиды", "нанохитозан" и т.д., требуется большая работа теоретиков, чтобы объяснить отсутствие "размерных" эффектов у этих объектов.)
Мы рассмотрим основные принципы жидкокристаллического подхода к созданию пространственных нанообъектов на основе двухцепочеч-ных (д/ц) молекул ДНК, обладающих разными свойствами. При этом физическая химия полимеров, включая НК и их комплексы, свидетельствует о том, что возможны несколько вариантов создания таких нанообъектов с учётом представления об упорядочении молекул д/ц НК в частицах жидкокристаллических дисперсий.
ПРЕДСТАВЛЕНИЕ О "ЖИДКИХ" ЧАСТИЦАХ
ЖКД НА ОСНОВЕ ДВУХЦЕПОЧЕЧНЫХ МОЛЕКУЛ ДНК
Известно, что фазовое исключение жёстких линейных д/ц молекул НК, имеющих молекулярную массу ниже 1 х 106 Да, из водно-солевых растворов некоторых полимеров (например, поли-этиленгликоля — ПЭГ) сопровождается образованием дисперсий НК [3]. Эффективность фазового исключения зависит от целого ряда факторов, указанных на рисунке 1. Нужно отметить особое значение двух факторов — молекулярной массы и растворимости молекул д/ц ДНК. Чем выше молекулярная масса ДНК, тем ниже совместимость этой молекулы с раствором ПЭГ и тем выше эффективность фазового исключения. Чем ниже растворимость ДНК, тем выше их несмешиваемость с раствором ПЭГ и тем выше эффективность фазового исключения.
Рис. 1. Формирование жидкокристаллической дисперсии д/ц ДНК
К раствору, содержащему молекулы ДНК (а), отрицательные заряды которых нейтрализованы ионами натрия, добавляют водорастворимый полимер (например, ПЭГ), вызывающий фазовое исключение молекул ДНК. Непрямые оценки: диаметр частицы (б) дисперсии 500 нм; молекулярная масса 1010 Да; в составе частицы 104 молекул ДНК. Подвижность ДНК в слоях придаёт частице свойства жидкости, а упорядоченное расположение ДНК — свойства кристалла, то есть для частиц характерна жидкокристаллическая упаковка. Каждый последующий квазинематический слой (в) повёрнут на определённый угол по отношению к предыдущему, что приводит к появлению пространственно закрученной (холестерической) структуры со специфическими оптическими свойствами
Осмотическое давление раствора
ШШ^ДНК ПЭГ ; №С1
ДНК в растворе ПЭГ(Спэг < СПЭГ), мол. масса ДНК (6-8) х 105 Да
Факторы, влияющие на процесс фазового исключения: Сднк, ^ДНК, ^ПЭГ
мол. масса ПЭГ, Г, °С, рН, ц, R+
ДНК в растворе ПЭГ(СПЭГ > СПЭГ),
п
Оценки, основанные на применении разных методов (седиментационный анализ, рассеяние УФ-излучения, динамическое светорассеяние и др.), показали, что для д/ц ДНК с молекулярной массой (0.6—0.8) х 106 Да средний диаметр частиц дисперсии близок к 500 нм. Молекулярная масса одной частицы дисперсии составляет ~1010 Да, частица содержит в своём составе примерно 104 молекул ДНК [3].
У частиц дисперсии есть несколько характерных особенностей. Во-первых, полимер ПЭГ не входит в состав частиц дисперсии. Во-вторых, соседние молекулы ДНК располагаются на расстоянии 2.5—5.0 нм, легко определяемом по положению характеристического пика на кривых малоуглового рассеяния рентгеновских лучей на фазах, сформированных из частиц дисперсий ДНК. Это означает, что у частиц дисперсий ДНК есть свойство, характерное для кристаллов. Кроме того, соседние молекулы ДНК подвижны, то есть у частиц есть свойство, характерное для жидкости. Указанные факты позволяют использовать для их описания термины "частицы жидкокристаллической дисперсии" или даже "жидкие" частицы ДНК. В-третьих, взаимодействие между соседними молекулами ДНК, благодаря их
хиральности (свойство молекулы не совмещаться в пространстве со своим зеркальным отражением), приводит к формированию пространственно закрученной структуры частиц дисперсии.
Все отмеченные выше свойства частиц жидкокристаллических дисперсий (ЖКД) ДНК, включая представление об их ламеллярной (слоевой) структуре, были использованы при создании теории кругового дихроизма (КД) [4]. Эта теория позволила описать и предсказать многие особенности спектров КД частиц ЖКД ДНК. Поскольку в составе молекул ДНК есть хромофоры (азотистые основания), поглощающие УФ-излуче-ние, теория предсказывает появление интенсивной (аномальной) полосы в спектре КД частиц ЖКД ДНК в области поглощения азотистых оснований. Появление этой полосы, регистрируемое спектрометром кругового дихроизма, является однозначным свидетельством макроскопической (холестерической) закрутки соседних квазинемати-ческих слоёв, образованных молекулами ДНК. Чтобы подчеркнуть и эту особенность, для обозначения частиц используют термин "частицы холестерической жидкокристаллической дисперсии" (ХЖКД) или "холестерик" ДНК [5].
Нужно обратить внимание на то, что частицы ХЖКД проявляют свойства, зависящие от размера (длины) образующих их молекул д/ц ДНК, то есть эти свойства подчиняются размерным эффектам, характерным для наночастиц разного происхождения. В частности, эффективность образования частиц ХЖКД зависит от молекулярной массы молекул ДНК, температура их плавления зависит от размера частиц и т.д. Поэтому для их обозначения может быть использован термин "жидкая наноконструкция", хотя применение этого термина не является бесспорным.
Таким образом, при исследовании физико-химических свойств частиц ХЖКД ДНК получена достаточно подробная информация об условиях их формирования и факторах, позволяющих управлять свойствами частиц дисперсий. Эта информация положена в основу отработки подходов к превращению "жидких" частиц ХЖКД ДНК в "твёрдые" бионанообъекты.
СОЗДАНИЕ "ТВЁРДЫХ" ЧАСТИЦ ХЖКД ДНК: ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЙ ПОДХОД
На рисунке 2, а представлена гипотетическая структура квазинематического слоя "жидкой" частицы д/ц ДНК. Исходя из общих принципов физики полимеров [6], можно предположить, что переход "жидкой" структуры частицы в "твёрдое" состояние может произойти в результате образования "сшивок" между соседними молекулами д/ц ДНК (рис. 2, б). Учитывая расстояние между молекулами (2.5—5.0 нм, в зависимости от осмо-
Рис. 2. "Сшивание" молекул ДНК наномостиками — вариант создания "твёрдых" частиц ДНК а — квазинематический слой "жидкой" частицы ДНК; индивидуальные молекулы ДНК в слое сохраняют определённые степени свободы; молекулы ДНК упорядочены, среднее расстояние между ними характеризуется величиной (ё), зависящей от осмотического давления раствора; б — квазинематический слой "твёрдой" частицы ДНК; при образовании наномостиков ( ) исчезает представление об индивидуальной молекуле ДНК, возникает интегрированная структура, в состав которой входят все молекулы ДНК; среднее расстояние между молекулами ДНК (ё) остаётся неизменным и не зависит от осмотического давления раствора; в — Na+
тического давления раствора), "сшивки" можно назвать наномостиками, а возникающую при этом конструкцию — наноконструкцией на основе молекул д/ц ДНК или бионанообъектом, а сам подход — наноконструированием на основе ДНК.
Главную идею такого варианта создания "твёрдых" частиц ДНК можно сформулировать следующим образом: соседние молекулы ДНК в квази-нематических слоях частиц ХЖКД находятся в "растворимом" состоянии, и между этими молекулами имеется свободное пространство. Молекулы химических или биологически активных соединений ("гостей"), оказавшиеся за счёт диффузии в свободном пространстве, могут "сшить" соседние молекулы ДНК. В результате процесса "сшивания" может сформироваться интегрированная структура, содержащая все молекулы ДНК, упорядоченные в квазинематических слоях одной частицы холестерической жидкокристал
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.