научная статья по теме НАНОКОНСТРУКЦИИ НА ОСНОВЕ ДВУХЦЕПОЧЕЧНЫХ ДНК В ПОЛИЭТИЛЕНОКСИДНЫХ ГИДРОГЕЛЯХ Математика

Текст научной статьи на тему «НАНОКОНСТРУКЦИИ НА ОСНОВЕ ДВУХЦЕПОЧЕЧНЫХ ДНК В ПОЛИЭТИЛЕНОКСИДНЫХ ГИДРОГЕЛЯХ»

ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК, 2007, том 414, № 6, с. 768-771

ФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ

УДК 541.64:547.9:573.3:573323

НАНОКОНСТРУКЦИИ НА ОСНОВЕ ДВУХЦЕПОЧЕЧНЫХ ДНК В ПОЛИЭТИЛЕНОКСИДНЫХ ГИДРОГЕЛЯХ

© 2007 г. К. С. Казанский, М. А. Лагутина, С. Г. Скуридин, Ю. М. Евдокимов

Представлено академиком Ал.Ал. Берлиным 22.01.2007 г. Поступило 23.01.2007 г.

Жидкокристаллические (ЖК) дисперсии (ЖКД) двухцепочечной ДНК являются объектом интереса молекулярной биологии, физикохимии и физики полимеров, биоаналитических технологий. Получаемые путем фазового исключения из водно-солевых растворов некоторыми полимерами, например, полиэтиленгликолем (ПЭГ), ЖКД обладают аномальной оптической активностью в форме интенсивного сигнала при 270 нм в спектре кругового дихроизма (КД). Оптическая активность частиц ЖКД весьма чувствительна к взаимодействию ДНК с широким кругом биологически активных веществ (БАВ), что детально исследовано на фундаментальном уровне [1] и стало основой разработки новых биосенсоров [2].

Практическому применению классических ЖКД мешают два серьезных недостатка - необратимая седиментация частиц, а также резкое падение амплитуды АА сигнала КД при уменьшении осмотического давления л05;т окружающего раствора ПЭГ. Первый из них был устранен иммобилизацией ЖКД в полимерном гидрогеле на основе ПЭГ [3]: частицы ЖКД, фиксированные в прозрачной матрице геля, полностью сохраняли свои оптические свойства и чувствительность к взаимодействию с БАВ. Сохранялась, однако, и характерная для классической ЖКД зависимость АА(л05;т), так что при набухании геля оптическая активность закономерно снижалась практически до нуля [3, 4].

Недавно разработан принципиально новый способ стабилизации частиц ЖКД путем создания в них между макромолекулами ДНК хелатных на-номостиков, препятствующих нарушению их структуры; такие частицы получили название "наноконструкций" (НК) [5]. Этот подход в сочетании с иммобилизацией в геле впервые в настоя-

щей работе использован для создания пленочных биоаналитических систем нового типа, в которых НК полностью стабилизированы. Основными проблемами, решенными в настоящей работе, были: формирование НК в среде гидрогеля, сохранение их оптических свойств, достижение осмотической устойчивости, а также сохранение чувствительности этих гибридных систем по отношению к БАВ.

В качестве объекта выбраны типичные НК, образующиеся при введении в ЖКД антрацикли-нового антибиотика дауномицина (Дау) и ионов Си2+ [5]. Полученные в работе данные четко показывают, что в образующихся композициях сохраняется характерная для НК полоса при 550 нм в спектре КД, которая надежно регистрируется, стабильна вплоть до предельного набухания геля и чувствительна к взаимодействию с БАВ. Динамика этого взаимодействия определяется скоростью диффузии БАВ в геле, которая закономерно увеличивается с уменьшением размера молекул БАВ и ростом набухания геля.

Формирование гель-иммобилизо-ванных НК. Классическую ЖКД получали фазовым исключением ДНК из водно-солевого раствора под действием бисмакромономера ПЭГ, содержащего метакрилатные концевые группы. Последующая радикальная полимеризация этих групп приводила к полиэтиленоксидному (ПЭО) гидрогелю с включенными в него ЖК частицами ДНК [3, 4]. В работе использованы бисмакромо-номеры молекулярной массы (ММ) 6 и 10 кДа; полученные из них гели обозначены далее как А и Б соответственно.

Для перехода к НК полученные пленки обрабатывали последовательно растворами Дау и Си2+ (около 10-5 М), как описано в [5, 6]. Рис. 1 отражает происходящие при этом изменения в спектре КД. На первой стадии при неизменности характерной для ЖКД полосы при 270 нм появляется сигнал при 505 нм (кривые 1 и 2), относящийся к Дау, интеркалированному в двойной спирали ДНК. Избыток Дау в форме "внешнего" комплекса с ДНК [5] способен участвовать в образовании хелатных мостиков, в которых Дау чередуется с

Институт химической физики им. Н.Н. Семенова Российской Академии наук, Москва Институт молекулярной биологии им. В.А. Энгелъгардта Российской Академии наук, Москва

АА

X, нм

Рис. 1. Спектры кругового дихроизма дисперсий ДНК в гидрогелях: 1 - классическая ЖКД; 2 - она же после введения Дау; 3 - конечная НК после добавки Си2+ к комплексу с Дау. Во всех случаях показаны спектры по завершении изменения амплитуды сигналов.

АА АА0

V _I_I_I_

О 0.5 1.0 1.5

(I)~

Рис. 2. Зависимость амплитуды полос НК при 270 (1) и 550 нм (2) от степени набухания гидрогеля Б. Величины АА и Q нормированы к состоянию приготовления. Штриховая линия отвечает уравнению (1).

Си2+. Действительно, введение Си2+ приводит к резкой амплификации и изменению формы полос в областях 270-310 и 500-550 нм (кривая 3). Этот факт указывает на образование хелатных мостиков, связывающих макромолекулы ДНК и жестко фиксирующих структуру НК.

Количественное сопоставление спектров НК, сформированных в растворе [5] и гидрогеле, указывает на их идентичность и, следовательно, на одинаковую структурную организацию НК в этих средах.

Поведение НК в гидрогелях. Высокая интенсивность сигналов НК (рис. 1) позволяет следить за их состоянием в среде геля при изменении его набухания. Степень набухания Q характеризуют отношением объемов набухшего геля и полимера в нем. Величину Q можно варьировать с помощью вводимого в систему ПЭГ, изменяющего тс08т внешнего раствора [7]. Вариация Q должна влиять на амплитуду полос АА через оптическую длину образца / и концентрацию НК в единице объема пНК, которые при изотропном набухании пропорциональны Q1/3 и О1 соответственно. Для амплитуды полос в таком случае можно записать

АА = Аа • пнк • / = = Аа • (п нк) о • /о • (О-У''' = АА 0 • (1)

где Аа - "приведенный" КД, характеризующий только структуру НК, а индекс 0 относится к исходному гелю, принятому за точку отсчета.

На рис. 2 зависимости АА(О) для обеих полос НК в спектрах КД в геле Б представлены в соответствии с уравнением (1). Как видно, общая тенденция близка к ожидаемой корреляции. Крайние левые точки относятся к свободному набуханию геля в избытке воды, и в этих состояниях гидрогель с включенными в него НК сохраняет достаточно высокие амплитуды полос при 280 нм и особенно при 550 нм. Таким образом, в состоянии, в котором гель термодинамически стабилен и не изменяет своего набухания в водных средах, он пригоден для экспериментов по взаимодействию с БАВ. Отметим также стабильность НК в среде набухшего геля: их спектры не изменяются, по меньшей мере, в течение полугода.

Анализ рис. 2 обнаруживает важные детали зависимости АА(О), выходящие за рамки линейной корреляции (1). Одна из них - некоторое снижение АА550 в области высоких О, что может свидетельствовать о деформации, например, растяжении наномостиков, состоящих из шести ионов Си2+ и пяти молекул Дау [5]. В то же время основная полоса почти идеально следует простому закону (1), указывая на постоянство Аа и, скорее всего, структуры НК. Вторая деталь - резкий рост амплитуд обеих полос, видимо, за счет Аа при низких степенях набухания, когда гидрогель сильно сжимает НК. Эта тенденция, несомненно, заслуживает более детального анализа.

Важно отметить, что НК является в полном смысле слова гидрогелем ДНК, в котором хелат-ные мостики играют роль сшивок, препятствующих набуханию НК с изменением взаимной ориентации макромолекул ДНК и, как следствие, Аа. В рамках термодинамики фактором, определяю-

770

КАЗАНСКИИ и др.

Да Да0

1.2

0.8

0.4

• 2

о 3

0 100 200 300

кш, кПа

Рис. 3. Сравнение зависимостей величины Аа при 270 нм от давления набухания для НК в геле Б (1) и классической ЖКД в растворе ПЭГ (2) и гидрогеле (3). Данные 2 и 3 взяты из работы [4]. Величины Аа нормированы к состоянию получения.

ДА ДЯ0

1.0 А 1

А Д 2

т> А • 3

о • 6 ^^"Ввгеосо О 4

0.5

д ▲

д ад ад

АД

¿А

да.

лА

АА лАааааа а а

40

80

120 t, мин

Рис. 4. Динамика разрушения НК под действием го-моцистеина (1, 2) и гепарина (3, 4) в геле Б в исходном (1, 3) и набухшем (2, 4) состояниях.

0

0

щим взаимоотношения матрицы ПЭО геля с НК внутри нее, является давление набухания л^, которое может быть измерено или рассчитано [7]. На рис. 3 диаграмма Аа(л^) для НК в геле при высоких степенях набухания сопоставлена с поведением классической ЖКД в растворах и гелях. Видно, что области, где ЖКД полностью теряет ЖК организацию, НК абсолютно стабильны. Очевидно, таким образом, что сшивание ДНК на-номостиками достигает своей главной цели - осмотической стабилизации НК.

Разрушение НК в гелях под действием БАВ. Целостность НК теряется при

Таблица 1. Коэффициенты диффузии некоторых БАВ в гидрогелях

БАВ d, А D • 106 , см2/с

Гель исходный набухший

гель гель

Гомоцистеин 8 A 3.7 8.5

(MM = 135 Да) Б 4.8 10.0

Сперминтриен 11 A 1.4 6.6

(MM = 400 Да)

Гепарин 21 A 0.14 0.70

(MM = 4 кДа) Б 0.69 2.2

Примечание. Гели синтезированы полимеризацией макромономеров с ММ, равными 6 (А) и 10 кДа (Б), и исследованы в состоянии приготовления (исходный гель) и равновесного набухания (набухший гель). Величины Q составляли в исходном состоянии 7.1 (А, Б), в набухшем - 21 (А) и 28 мл/мл (Б).

разрушении наномостиков под действием взаимодействующих с ними БАВ. Это видно из убывания амплитуды полос при контакте пленок с растворами БАВ, и на рис. 4 в качестве примера показана кинетика этого процесса на полосе 550 нм в одном из гелей для двух сильно различных по размеру БАВ. Очевидно, что темп этого снижения должен определяться коэффициентом диффузии D молекул БАВ через матрицу геля. Величина D, в свою очередь, зависит от соотношения размера движущей через гель молекулы d и характерного размера сетки.

С использованием диаграмм, аналогичных приведенным на рис. 4, для нескольких БАВ в гидрогелях из обоих макромономеров как в исходном, так и предельно набухшем состояниях сделана оценка величин D, результаты которой приведены в табл. 1. В расчетах D использовали уравнения из монографии [8]. Как видно, качественно картина данных по диффузии отвечает физической логике: величины D растут с уменьшением d, а также увеличением ММ макромономера и Q, которые в совокупности отв

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

Пoхожие научные работыпо теме «Математика»