научная статья по теме СТРУКТУРНАЯ НАНОТЕХНОЛОГИЯ НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ: ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЙ ПОДХОД Биология

Текст научной статьи на тему «СТРУКТУРНАЯ НАНОТЕХНОЛОГИЯ НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ: ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЙ ПОДХОД»

БИОФИЗИКА, 2013, том 58, вып. 6, с. 987-1004

МОЛЕКУЛЯР НАЯ БИОФИЗИКА =

УДК 573.3

СТРУКТУРНАЯ НАНОТЕХНОЛОГИЯ НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ: ЖИДКОК Р И СТАЛЛИЧЕСКИЙ ПОДХОД

© 2013 г. Ю.М. Евдокимов, В.И. Салянов, Е.И. Кац*, С.Г. Скуридин

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт молекулярной биологии им. В.А. Энгельгардта РАН, 119991, Москва, ул. Вавилова, 32;

*Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теоретической физики им. Л.Д. Ландау РАН, 119334, Москва, ул. Косыгина, 2 E-mail: yevdokim @eimb. ru Поступила в p едакцию 05.09.13 г.

Описаны свойства частиц холестерических жидкокристаллических дисперсий двухцепочечных молекул ДНК, формируемых при фазовом исключении этих молекул из водно-солевых, полимерсодержащих растворов. Физико-химические свойства квазинематических слоев частиц холестерических жидкокристаллических дисперсий и двухцепочечных ДНК в их составе учтены при разработке фундаментальных основ жидкокристаллического подхода к структурной на-нотехнологии ДНК. Согласно разным вариантам этого подхода, представляющего собой, по существу, гелеобразование «внутри частиц» дисперсии, получены пространственные структуры (наноконструкции ДНК, «твердые» частицы ДНК), обладающие уникальными свойствами. П ри помощи метода атомно-силовой микроскопии зарегистрированы изображения «твердых» частиц ДНК разного типа. Специфические свойства наночастиц металлов (в частности, наночастиц золота) учтены при разработке еще одного варианта подхода к структурной нанотехнологии ДНК, позволяющего создавать «металлизированные» наноконструкции ДНК.

Ключевые слова: нанотехнология нуклеиновых кислот, жидкокристаллические дисперсии ДНК, наноконструкции ДНК, структура жидких кристаллов ДНК.

Нанотех нология - междисциплинарная наука о создании и использовании «структуриро -ванных» материалов (нанообъектов, наноструктур, наноконструкций), устройств и систем с такими свойствами, которые связаны с геометрическими размерами и/или специфическими физико-химическими особенностями наноструктур [1].

Если исходить из этого определения, то бионанотехнология - это раздел нанотехнологии, задачей которого является создание про -странственных наноконструкций (нанообъек-тов), характеризуемых «размерными» свойствами, «строительными блоками» которых являются молекулы биологического происхождения [2].

Несмотря на многообразие биологических молекул, реальные пр актические результаты получены в настоящее время лишь в одном на-

Сокращения: НК - нуклеиновая кислота, ЖКД - жидкокристаллическая дисперсия, ПЭГ - полиэтиленгликоль, УФ - ультрафиолетовое излучение (ультрафиолетовая область спектра), ХЖКД - холестерическая жидкокристаллическая дисперсия, АСМ - атомно-силовая микроскопия (атомно-силовой микроскоп), ППР - поверхностный плаз-монный резонанс.

правлении бионанотехнологии, а именно в области нанотехнологии нуклеиновых кислот. На-нотехнология нуклеиновых кислот - это создание пространственных структур (наноструктур, наноконструкций) с регулируемыми свойствами, «строительными блоками» которых являются молекулы нуклеиновых кислот (НК) или их комплексы. Это направление бионанотехно-логии называют также «структурная нанотех-нология нуклеиновых кислот» [3,4].

Описано несколько подходов к созданию нанообъектов на основе молекул НК или синтетических полинуклеотидов, позволяющих контролировать пространственную структуру наноматериалов с молекулярной точностью, что определяется набором физических и химических свойств, присущим только этим молекулам [2].

Подходы к созданию наноструктур на основе молекул НК можно разделить на две группы:

1) формирование наноструктур за счет последовательной модификации исходных, как правило одно цепочечных, молекул НК;

2) формирование наноструктур с использованием двухцепочечных молекул НК (или их комплексов), фиксированных в пространствен-

ной cтpуктуpе частиц жидкокриcталличеcкиx диcпеpcий (ЖКД).

Можно кратко пpокомментиpовать основную идею пеpвого подxода, пpедложенного Н. Зиманом в 1982 г. [5]. Этот подxод можно условно назвать «последовательным конструированием» или конструированием «шаг-за-ша-гом». Первый шаг - получение при помощи биохимических методов или путем прямого химического синтеза молекул НК, имеющих заранее заданные, одноцепочечные, комплемен-тар ные концевые фрагменты (называемые также «липкими» концами). Взаимодействие между «липкими» концами разных фрагментов НК приводит к формированию единой структуры, имеющей два разрыва в сахарофосфатных цепях. П ри помощи фермента лигазы эти разр ывы «зашивают», что приводит к формированию полноценной двухцепочечной структуры нуклеиновой кислоты. Второй шаг - создание точки ветвления (крестообразной структуры) за счет использования фрагментов НК со специфической последовательностью азотистых оснований или введения единичных разрывов в одну из цепей НК. Сами крестообразные структур ы могут со стоять из трех или четырех разных «ветвей», т.е. они могут иметь разную пространственную форму. У крестообразной молекулы двухцепочечной нуклеиновой кислоты при помощи ферментов создают «липкие» концы. Гибридизация и последующее сшивание «липких» концов у соседних молекул НК приводит к формированию первой наноструктуры -плоской нанорешетки из молекул двухцепочеч-ной НК. В связи с подвижностью структуры молекул НК в точках «ветвления», образующая плоская нанорешетка не является очень жесткой. Поэтому, чтобы сформировать более жесткую структуру, был использован ряд подхо-дов, которые можно назвать «дополнительными» к подходу Н. Зимана. В частности, прием, предложенный К. Нимейером [6], основан на использовании бис-биотинилированной молекулы ДНК и белка, связывающего биотин, -стрептавидина. Этот прием позволяет создавать нанорешетки, имеющие форму замкнутых колец. Д. Бергстрем [7] использовал для нанокон-струир ования синтетические молекулы, состоящие из двух одноцепочечных самокомплементарных олигонуклеотидов, два конца которых сшиты между собой жесткой цепочкой из двух молекул р-(2-оксиэтил)-фенилэтилфенола, присоединенных к тетраэдрическому атому углерода. Комплементарная гибридизация олиго-нуклеотидных фрагментов приводит к возникновению набора нанор ешеток в виде многолучевых звезд. Жесткость всей конструкции обес-

печивается за счет последовательного чередо-вания углеводородных фрагментов, имеющих фиксированную пространственную структуру, и двухцепочечных олигонуклеотидов.

Несмотря на то, что подход «шаг-за-шагом» стимулировал бурный рост синтетической, компьютер ной химии НК, задача по созданию про -странственных конструкций с управляемыми свойствами, содержащих в своем составе молекулы других соединений, не решена в рамках этого подхода.

Следует при этом отметить, что создание наноструктур, согласно подходу «шаг-за-ша-гом», сопряжено с большими экономическими затратами, обусловленными необходимостью получения одноцепочечных молекул НК с заранее заданными последовательностями азотистых оснований, применения целого арсенала фер ментов (рестриктаз и лигаз) для р асщепле-ния и «сшивания» фрагментов НК между желаемыми азотистыми основаниями, выделения специфических структур из реакционной смеси, тщательного анализа их свойств и использования современны х методов контр оля (таких как атомная силовая микроскопия) на всех стадиях наноконструирования.

В весьма обстоятельном обзоре [8] рассмотрены разные аспекты создания и возможного практического применения наноконструкций, состоящих из молекул олигонуклеотидов.

Ответ на вопрос о практическом применении наноструктур, создаваемых из единичных молекул НК, согласно походу «шаг-за-шагом», будет определяться, по-видимому, теми задачами, которые необходимо р ешать исследователям.

Необходимо добавить, что в последнее время значительные усилия в области бионанотех-нологии были направлены на создание новых наноструктур (бионаноматер иалов), причем молекулы ДНК р ассматриваются пр осто как химическая основа для этих матер иалов. В некоторых случаях практическое применения таких материалов диктует необходимость использования их «твердой» (гелеподобной) формы [9,10], а возможность пр именения похода «шаг-за-шагом» для создания таких форм бионано-материалов остается неисследованной.

Физическая химия НК и их комплексов свидетельствует о том, что существуют другие способы создания пространственных наноконст-рукций, в основе которых лежит представление об упорядочении соседних молекул двухцепо-чечных НК в квазинематических слоях частиц жидкокристаллической дисперсии этих молекул. Поэтому можно кратко остановиться на

Рис. 1. Принципиальная схема формирования частиц ЖКД ДНК в результате фазового исключения жестких двухцепочечных молекул ДНК из водно-солевого ПЭГ-содержащего раствора. 1 - Двухцепочечные молекулы ДНК в ПЭГ-содержащем растворе при СПЭГ ниже «критического» значения (молекулы ПЭГ показаны как серые кружки). 2 - Частица ХЖКД ДНК (показана как овал), сформированная при концентрации ПЭГ выше «критического» значения (Р - шаг холесгерической спиральной структуры). 3 - Квазинематический слой образованный двухцепочечными молекулами ДНК (символ ® - означает ось вращения холестерической структуры). Прямоугольная рамка и черные стрелки соответствуют осмотическому давлению ПЭГ-содержащего раствора. Подвижность ДНК в слоях придает частице дисперсии свойства жидкости, а упорядоченное расположение ДНК - свойства кристалла, т.е. для частиц дисперсии характерна жидкокристаллическая упаковка. Каждый последующий слой повернут на определенный угол по отношению к предыдущему, что приводит к появлению пространственно-закрученной (или холестерической) структуры со специфическими оптическими свойствами.

свойствах жидкокристаллической дисперсии НК, позволяющих создавать «твер дые» биона-номатериалы.

«ЖИДКИЕ» ЧАС ТИЦЫ ЖКД НА ОСНОВЕ ДВУХЦЕПОЧЕЧНЫХ МОЛЕКУЛ ДНК

Известно, что фазовое исключение жестких, линейных, двухцепочечных молекул НК [11], имеющих молекулярную массу ниже 1-106 Да, из водно-солевых растворов некоторых полимеров (например, полиэтиленгликоля (ПЭГ)) сопровождается образованием дисперсий НК. Такое

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 «Биология»