МОЛЕКУЛЯРНАЯ БИОЛОГИЯ, 2009, том 43, № 2, с. 309-326
К ЮБИЛЕЮ ИНСТИТУТА МОЛЕКУЛЯРНОЙ БИОЛОГИИ
УДК 573.3, 541.186
ОТ ЖИДКИХ КРИСТАЛЛОВ К НАНОКОНСТРУКЦИЯМ ДНК
© 2009 г. Ю. М. Евдокимов*, В. И. Салянов, С. Г. Скуридин
Институт молекулярной биологии им. В. А. Энгелъгардта Российской академии наук, Москва, 119991
Поступила в редакцию и принята к печати 09.07.2008 г.
Кратко изложены результаты, полученные лабораторией в области исследования физико-химических свойств жидкокристаллических дисперсий двухцепоченых нуклеиновых кислот (ДНК, РНК) и особенностей их поведения в квазинематических слоях. Фундаментальные данные, полученные в этой области, использованы в качестве основы для создания наноконструкций ДНК, содержащих в своем составе молекулы "гостей" (химические вещества или биологически активные соединения). Рассмотрены два теоретически возможных подхода к созданию наноконструкций ДНК. Описаны уникальные свойства наноконструкций, определяющие области их практического применения.
Ключевые слова: нанобиотехнология, нуклеиновые кислоты, жидкокристаллические дисперсии ДНК, комплексообразование, наноконструкции ДНК, круговой дихроизм, биодатчик, аналит, гидрогель, редкоземельные элементы, невирусные системы доставки.
FROM LIQUID CRYSTALS TO NANOCONSTRUCTIONS OF DNA, by Yu. M. Yevdokimov*, V. I. Sa-lyanov, S. G. Skuridin (Engelhardt Institute of Molecular Biology, Russian Academy of Sciences, Moscow, 119991 Russia; e*-mail: yevdokim@eimb.ru). This paper reviews data obtained in our Laboratory in the field of the liquid-crystalline dispersions of the double-stranded nucleic acids (DNA, RNA) and results of the analysis of behavior of these biopolymeric molecules in the quasinematic layers. The fundamental data obtained in this area were used as a background for creation of the DNA nanoconstructions, containing different "guest" (biologically active or/and chemical substances) molecules. Two theoretically possible ways for creation of the DNA nanoconstructions were compared. The unique properties of the nanoconstructions dictating the scope of their practical application are described.
Key words: nanobiotechnology, nucleic acids, DNA liquid-crystalline dispersions, complex formation, DNA nanoconstructions, circular dichroism, biosensing unit, analyte, hydrogel, rare earth elements, non-viral delivery systems.
ВВЕДЕНИЕ
В фокусе научного направления, родившегося на стыке физики, химии, электронной и компьютерной техники, известного под названием "нанотехноло-гии" и получившего быстрое развитие в разных странах на рубеже XX и XXI веков, оказались так называемые "наночастицы", "наноразмерные объекты", величина которых составляет от долей нанометра до сотен нанометров. (Нано - от греческого слова nanos - "карлик", величина, составляющая 10-9 м (нанометр, нм), т.е. величина, сопоставимая с размерами единичных атомов).
Принятые сокращения: БАС - биологически активное соединение; Гц - гомоцистеин; ДАУ - дауномицин; дц - двухцепо-чечный; ЖКД - жидкокристаллическая дисперсия; КД - круговой дихроизм; НК - нуклеиновая кислота; НаК - нанокон-струкция; ПЭГ - полиэтиленгликоль; СПМ - синтетический полимерный матрикс; ХЖКД - холестерическая жидкокристаллическая дисперсия. * Эл. почта: yevdokim@eimb.ru
Слова "нанотехнология", "наночастицы", "на-номатериалы" известны уже большому кругу читателей. Действительно, манипуляции на уровне отдельных атомов позволяют создавать новые "структурированные" материалы и устройства, обладающие заранее заданными, уникальными свойствами. В последнее время к указанным выше словам стали добавлять такие термины, как "нанобиотехнология" и "наномедицина", т.е. стали формироваться новые направления нанотехнологии, в которых в качестве "строительных блоков" при создании наноструктур используются молекулы биологического происхождения.
К наноразмерным объектам относятся одно, двух- и трехмерные образования, такие как индивидуальные наночастицы, нанопленки, наностержни и нанотрубки, и наноструктурированные и нанопо-ристые материалы, вместе с нанокомпонентами и наноустройствами. Верхний предел указанного выше интервала размеров этих структур достаточно
условен, а нижний - определяется размерами молекул и атомов.
В наноструктурах, состоящих из ограниченного числа "строительных блоков", независимо от природы самих "блоков", проявляются и доминируют принципиально новые физические явления такие, как масштабирование свойств в зависимости от размеров самих структур, преобладающее влияние поверхностных свойств, отсутствие дефектов в объеме, значительная "энергонасыщенность", определяющая высокую химическую реакционную способность создаваемых структур, и т.д. Эти новые явления приводят к тому, что у наноструктур появляются уникальные, часто непредсказуемые, механические, электрические, магнитные, оптические, химические и другие свойства, которые открывают дорогу для манипуляций с этими структурами, которые трудно представить в обычных условиях. Можно сказать, что "наноразмер" - не единственный критерий наночастиц; наночастицы, в силу присущих им специфических свойств, - это "больше, чем размер", поскольку доминирует не сам размер, а появление у созданного наноматериа-ла уникальных свойств, являющихся функцией его размера.
Поэтому можно определить нанотехнологию как междисциплинарную науку, изучающую вопросы создания и использования "структурированных" материалов, устройств и систем с такими свойствами, которые связаны с геометрическими размерами или специфическими физико-химическими особенностями наноструктур [1].
ДВЕ СТРАТЕГИИ НАНОКОНСТРУИРОВАНИЯ
Наноконструирование на основе двухцепочеч-ных (дц) нуклеиновых кислот (НК), т.е. направленное создание сложных пространственных конструкций с регулируемыми свойствами (наноструктур, наноконструкций (НаК), нанобиомате-риалов), "строительными блоками" которых являются молекулы дцНК или их комплексы [2], находится в центре внимания исследователей разных стран. Сама возможность применения НК для создания НаК с регулируемыми параметрами основана на учете ряда свойств, характерных только для этих молекул [3].
Стратегии получения НаК на основе молекул НК можно разделить на две группы:
1. Создание НаК за счет последовательной модификации исходных, линейных НК;
2. Построение НаК с использованием линейных молекул НК (или их комплексов), фиксированных в пространственной структуре частиц жидкокристаллических дисперсий (ЖКД).
Можно кратко прокомментировать первую группу стратегий создания НаК. В настоящее время
описаны подходы к созданию НаК на основе НК, которые можно условно назвать последовательным конструированием или конструированием "шаг-за-шагом", основанным на последовательной модификации исходной молекулы дцНК (или синтетического полинуклеотида). При правильном подборе последовательности нуклеотидов в исходных одноцепочечных ДНК и использовании соответствующих крестообразных структур Н. Зиман получил наноструктуру, имеющую форму куба, ребрами жесткости которого служат молекулы дцДНК [4]. Дополнительная модификация исходной структуры ДНК позволяет создавать наноструктуры, имеющие форму "зацепленных" октаэдров, додекаэдров и т.д.
Важнейшая задача наноконструирования - создание трехмерных конструкций с управляемыми свойствами, содержащих в своем составе встроенные молекулы разных соединений (молекулы "гостей", рис. 1).
Создание наноструктур по рассмотренной технологии сопряжено с большими экономическими затратами, обусловленными необходимостью получения фрагментов НК с заданными последовательностями азотистых оснований, применения целого арсенала ферментов (рестриктаз и лигаз) для расщепления и "сшивания" фрагментов НК между желаемыми азотистыми основаниями, выделения специфических структур из реакционной смеси, тщательного анализа их свойств и использования современных методов контроля (таких как атомная силовая микроскопия) на всех стадиях наноконструирования.
Можно ли в такой НаК, созданной на основе молекул ДНК, сохранить высокую концентрацию молекул "гостей"? Дело в том, что с физико-химической точки зрения число мест связывания молекул "гостей" у линейной молекулы дцДНК ограничено. При образовании НаК типа "куб", ребрами жесткости которого являются молекулы дцДНК, число мест связывания для молекул "гостей" или остается неизменным или может измениться только в меньшую сторону. Предположение о том, что в такой наноструктуре можно удержать высокую концентрацию молекул "гостей", представляется не вполне оправданным.
Ответ на вопрос о практическом применении НаК, создаваемых из единичных молекул НК по технологии "шаг-за-шагом", определяется, по-видимому, теми задачами, которые приходится решать исследователям. Молекулы "гостей" в составе НаК могут быть "мишенями" для других биологически активных соединений (БАС), т.е. на основе НаК можно создавать биодатчики для определения веществ, узнающих молекулы "гостей" [5-7]. В том случае, если удастся осуществить трехмерное упорядочение единичных пространственных НаК (кристаллизацию), не исключено, что можно будет за-
Молекулы ДНК
Многостадийный процесс
Молекулы ДНК
Молекулы "гостей" в составе гипотетической наноструктуры
Рис. 1. Схема, иллюстрирующая основную идею стратегии "шаг-за-шагом": из молекул ДНК (или синтетических по-линуклеотидов) путем их последовательной модификации необходимо создать трехмерную НаК, способную удержать высокую концентрацию молекул "гостей".
кристаллизовать в такой структуре соединения, которые плохо кристаллизуются в обычных условиях, но тем или иным образом оказываются встроенными в состав НаК, т.е. можно будет проводить весьма специфическую очистку "гостей". Такое упорядочение само по себе представляет сложную задачу, которая не решена к настоящему времени.
Несмотря на первые успехи в наноконструиро-вании, основанном на стратегии "шаг-за-шагом", при использовании в качестве "строительных блоков" единичных молекул дцНК, важнейшая задача наноконструирования, а именно, создание пространственных конструкций с управляемыми свойствами, содержащих в своем составе молекулы других соед
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.