научная статья по теме СУПЕР ПАРАМАГНИТНЫЕ НАНОЧАСТИЦЫ ФЕРРИТА КОБАЛЬТА «ВЗРЫВАЮТ» УПОРЯДОЧЕННУЮ ПРОСТРАНСТВЕННУЮ УПАКОВКУ ДВУХЦЕПОЧЕЧНЫХ МОЛЕКУЛ ДНК Биология

Текст научной статьи на тему «СУПЕР ПАРАМАГНИТНЫЕ НАНОЧАСТИЦЫ ФЕРРИТА КОБАЛЬТА «ВЗРЫВАЮТ» УПОРЯДОЧЕННУЮ ПРОСТРАНСТВЕННУЮ УПАКОВКУ ДВУХЦЕПОЧЕЧНЫХ МОЛЕКУЛ ДНК»

БИОФИЗИКА, 2015, том 60, вып. 3, с. 428-436

МОЛЕКУЛЯР НАЯ БИОФИЗИКА =

УДК 573.3

СУПЕР ПАРАМАГНИТНЫЕ НАНОЧАСТИЦЫ ФЕРРИТА КОБАЛЬТА «ВЗР ЫВАЮТ» УПОРЯДОЧЕННУЮ П Р ОСТР АН СТВЕННУЮ УПАКОВКУ ДВУХЦЕПОЧЕЧНЫХ МОЛЕКУЛ ДНК

© 2015 г. Ю.М. Евдокимов, А.Г. Першина*, В.И. Салянов, А.А. Магаева**, В.И. Попенко, Э.В. Штыкова***, Л.А. Дадинова***, С.Г. Скуридин

Институт молекулярной биологии им. В.А. Энгельгардта РАН, 119991, Москва, ул. Вавилова, 32;

E-mail: yevdokim @eimb. ru *Сибирский государственный медицинский университет, 634050, Томск, Московский тракт, 2;

E-mail: allysyz@mail.ru

**Томский научный Центр Сибирского отделения РАН, 634021б Томск, А кадемический просп. 10/3;

***Институт кристаллографии им. А .В. Шубникова РАН, 119333, Москва, Ленинский просп., 59;

E-mail: viwopisx@yachoo.ru Поступила в p едакцию 11.02.15 г.

Рассмотрено формирование холестерических жидкокристаллических дисперсий из двухцепо-чечных молекул ДНК, обработанных положительно заряженными суперпарамагнитыми нано-частицами феррита кобальта, а также действие этих наночастиц на жидкокристаллические дисперсии ДНК. Связывание магнитных наночастиц с линейными двухцепочечными молекулами ДНК в растворе высокой ионной силы (0,3 М NaCl) и последующее фазовое исключение таких комплексов из полиэтиленгликольсодержащего раствора приводит к тому, что формирование дисперсии, для частиц которой характерно пространственное спиральное расположение соседних двухцепочечных молекул ДНК, становится невозможным. При действии магнитных наночастиц на холестерическую жидкокристаллическую дисперсию ДНК (1 магнитная нано-частица на 1 молекулу ДНК) происходит такое «возмущение» структуры молекул ДНК в местах связывания магнитных наночастиц, при котором упорядоченная пространственная структура частиц дисперсии ДНК «взрывается»; этот процесс сопровождается исчезновением как аномальной оптической активности, так и брэгговского пика на кривой малоуглового рассеяния. С учетом того, что физико-химические свойства частиц жидкокристаллических дисперсий двухцепочечной ДНК отражают особенности пространственной организации этих молекул в составе хромосом простейших, не исключено, что обнаруженный эффект может иметь важные биологические последствия.

Ключевые слова: жидкокристаллические дисперсии ДНК, суперпарамагнитные наночастицы феррита кобальта, круговой дихроизм, малоугловое рентгеновское рассеяние.

Ряд недавно опубликованных обзорных р а -бот [1-7] посвящен анализу свойств гибр идных материалов, образованных в результате диспергирования наночастиц в жидкокр исталлических фазах низкомолекулярных соединений. Изучение таких материалов находится в фокусе интенсивных исследований в разных лабораториях; они обусловлены возможностями практического применения этих материалов (создание экранов для компьютер ов, устр ойств для хра-

Сокращения: ЖКД ДНК - жидкокристаллическая дисперсия ДНК, ПЭГ - полиэтиленгликоль, КД - круговой дихроизм, МНЧ - магнитные наночастицы, УЗ - ультразвук, ХЖКД ДНК - холестерическая жидкокристаллическая дисперсия ДНК, МУР - малоугловое рентгеновское рассеяние.

нения информации и т.д., и даже доставка лекарственных препар атов).

Нужно отметить, что хотя многие из этих работ посвящены анализу свойств жидких кристаллов низкомолекулярных соединений, обработанных наночастицами серебра или золота [8,9], начаты работы по действию таких нано-частиц на жидкие кристаллы, образованные высокомолекулярными ДНК [10,11]. Результаты этих р абот вызывают большой интер ес с р азных точек зрения. Этот интерес основан, прежде всего, на том, что в настоящее время установлены многие параметры, характеризующие физико-химические свойства и структуру частиц дисперсий ДНК [12]. В частности, показано, что частицы жидкокристаллических дисперсий

(ЖКД) двухцепочечной ДНК (молекулярная масса ~ (0,6-0,8)-106 Да), образующиеся при фазовом исключении этих молекул из водно-по-лимер ных р астворов (в частности, раствора по-лиэтиленгликоля (ПЭГ)) имеют размер около 500 нм, в со став каждой частицы входят ~104 молекул ДНК. Частицы дисперсии ДНК существуют в растворах ПЭГ, имеющих определенное осмотическое давление. Частицы характеризуются периодической структурой, расстояние между слоями которой может меняться в пределах от 2,9 до 5,0 нм в зависимости от осмотического давления раствора. Анизотропия молекул двухцепочечной ДНК приводит к тому, что каждый следующий слой из молекул ДНК в частице дисперсии повернут на определенный (~ 0,5°) угол по отношению к предыдущему. Такая закрутка приводит к формированию про -странственно закрученной (холестерической) структуры частицы дисперсии ДНК, характерной особенностью которой является появление очень интенсивной (аномальной) полосы в спектре кругового дихроизма (КД) в области поглощения азотистых оснований ДНК [13]. С биологической точки зрения интерес к этим частицам обусловлен тем, что физико-химические свойства частиц ЖКД двухцепочечной ДНК отражают некоторые особенности про -странственной организации этих макромолекул в составе хромосом Protozoa (например, хро-мосом Dinoflagellate), ДНК-содержащих бактериофагов [14] и головок спермиев.

В результате пр оведенных исследований было показано, что наночастицы золота при низкой концентрации не только «запрещают» упо -рядоченную упаковку молекул двухцепочечной ДНК, но и нарушают спиральную структуру частиц ЖКД ДНК [15,16]. Этот эффект может быть одной из причин генотоксического действия этих наночастиц [17].

Цель настоящей р аботы - опр еделение эффектов, которые могут быть вызваны действием другого типа наночастиц, а именно суперпара-магнитных наночастиц (МНЧ) феррита кобальта, на формирование и свойства ЖКД ДНК. С ледует отметить, что, несмотр я на целый ряд обзоров и обзорных статей [18-22], в которых анализируются свойства МНЧ, механизмы их взаимодействия с молекулами ДНК остаются малоизученными, а вопрос о возможности потенциального токсического (генотоксического) действия этих наночастиц остается практически без ответа.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

МНЧ получали методом механохимическо-го синтеза с использованием кристаллогидратов солей. Детали метода подробно описаны в ра -боте [23].

Оценка показывает, что в 1 мг порошка МНЧ содержится 1,32-1015 наночастиц. Перед использованием исходную суспензию МНЧ разбавляли 0,3 М КаС1 до концентрации 1,5 мг/мл (1,98-1015 МНЧ/мл) и готовили серию ра створов с разным содержанием МНЧ (суспензии А). Поскольку МНЧ обладают склонностью к агрегации [19,21], агрегаты в суспензиях А разрушали с помощью ультразвукового (УЗ) дис-пергатора «УЗДН -2Т» (Россия; частота 22 кГц, температур а ~ 0оС, вр емя УЗ-обработки 5 мин). Известная степень разбавления серии суспензий А и измерение их поглощения при 400 нм использовано для построения зависимости оптической плотности суспензий от концентрации МНЧ. Сохранение прямолинейной зависимости свидетельствует о том, что при разбавлении суспензий в них меняется лишь концентрация МНЧ (без существенного изменения размера или фор мы самих наночастиц). После низкоскоро стного центрифугирования серии растворов А (центрифуга МР,^251 (Польша); 6000 об/мин, температура 22°С, 4 мин) отбирали супернатанты (суспензии Б) и регистрировали оптическую плотность этих суспензий. Для суспензий серии Б также наблюдается прямолинейная зависимость оптической плотности от разбавления, что подтверждает постоянство размер а и фор мы МНЧ в суспензиях сер ии Б. Поэтому данные, полученные для суспензий серии А, можно использовать для определения концентрации МНЧ в суспензиях серии Б. В результате описанной процедуры приготовления в полученных супернатантах (серия Б) о с-тается 5% исходного (серия А) количества МНЧ.

П ри помощи электр онного микро скопа 1еш-100СХ (1ео1, Япония) оценивали средний размер МНЧ в суспензиях серии А и Б. На рис. 1а,б, в качестве примера, показан вид МНЧ, а на рис. 1в - гистограмма размеров МНЧ, приготовленных в р азных условиях. Согласно оценкам, в суспензиях А и Б диаметр сферических МНЧ лежит в пределах от 4 до 6,5 нм, что вполне соответствует результатам, полученным ранее [20]. На пленке-подложке, используемой для электронной микроскопии, эти наночасти-цы образуют агрегаты, которые (при использованной процедуре приготовления) состоят из разного числа МНЧ (в зависимости от их концентрации).

Рис. 1. Электронные микрофотографии магнитных наночастиц (а, б), использованных в работе, и распределение МНЧ по размеру (в). (а) - Концентрация МНЧ 1,32-1015 частиц/мл (1 мг/мл). Раствор А после приготовления подвергали УЗ-обработке, но не центрифугировали. (б) - Концентрация МНЧ 0,462-1014 частиц/мл (0,035 мг/мл). Супернатант получен после центрифугирования раствора А. (в) - Разные столбики соответствуют разным сериям определения размера МНЧ. Отметка на рисунке соответствует 100 нм.

МНЧ имели положительный заряд; их Ъ-потенциал при нейтральных значениях pH со -ставлял около 15 мВ.

Суспензии серии Б использовали для приготовления комплексов с двухцепочечной ДНК, смешивая фиксированные объемы суспензии Б с определенным объемом водно-солевого раствора ПЭГ, содер жащего холестер ическую жидкокристаллическую дисперсию ДНК (ХЖКД ДНК).

Использовали дополнительно очищенный от примесей и деполимеризованный препарат ДНК из тимуса кр упного рогатого скота (Sigma, США) с молекулярной массой (0,6-0,8) -106 Да. Концентрацию ДНК в водно-солевых растворах определяли спектрофотометрически, пользуясь известным значением молярного коэффициента поглощения (к = 258.4 нм, етах = 6600 М-1см-1).

П репар ат ПЭГ (Serva, Гер мания; молекулярная масса 4000 Да) использовали без дополнительной очистки.

ХЖКД ДНК в ПЭГ-содержащих водно-со -левых растворах формировали в соответствии с методикой, описанной ранее [12].

Магнитными наночастицами (суспензии серии Б), полученными описанным выше спосо -бом, обрабатывали как исходные линейные молекулы двухцепочечной ДНК, так и ХЖКД ДНК.

Спектры поглощения исследуемых растворов регистрировали при помощи спектр офото-метра Сагу 100 Бсап (Уапап, США), а спектры кругового дихроизма - при помощи портативного дихрометра СКД-2 (разра

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»