МОЛЕКУЛЯРНАЯ БИОЛОГИЯ, 2009, том 43, № 3, с. 492-504
СТРУКТУРНО-ФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ БИОПОЛИМЕРОВ И ИХ КОМПЛЕКСОВ
УДК 577.22+577.29
ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ ДИСПЕРСИИ КОМПЛЕКСОВ ЛИНЕЙНЫХ ДВУХЦЕПОЧЕЧНЫХ МОЛЕКУЛ ДНК
С ДЕНДРИМЕРАМИ
© 2009 г. С. Г. Скуридин1, В. И. Попенко1, В. А. Дубинская2, В. А. Быков2, Ю. М. Евдокимов1*
1Институт молекулярной биологии им. В.А. Энгелъгардта Российской академии наук,
Москва, 119991
2Научно-исследователъский и учебно-методический центр биомедицинских технологий ВИЛАР Российской академии селъскохозяйственных наук, Москва, 123056 Поступила в редакцию 09.09.2008 г.
Принята к печати 11.11.2008 г.
Изучены особенности образования жидкокристаллических дисперсий линейных двухцепочечных молекул ДНК при взаимодействии с полипропилениминовыми дендримерами пяти генераций ^1^5) в водно-солевых растворах разной ионной силы (0.01-0.7). Показано, что независимо от ионной силы раствора и структуры дендримера связывание молекул дендримеров с ДНК приводит к образованию дисперсии. На примере дендримера 4-ой генерации показано, что частицы дисперсии комплекса (ДНК-дендример G4) имеют форму, близкую к сферической, а их диаметр составляет 300-400 нм. При помощи спектроскопии кругового дихроизма определены "граничные" условия (ионная сила раствора и молекулярная масса дендримера) формирования оптически активных (холестерических) и оптически неактивных дисперсий комплекса (ДНК-дендример). В случае дендримеров 1-ой, 2-ой, 3-ей и 5-ой генерации образуются дисперсии, не обладающие аномальной оптической активностью. Под действием дендримера 4-ой генерации образуются жидкокристаллические дисперсии двух типов. В растворах высокой ионной силы (ц > 0.4) формируются холестерические жидкокристаллические дисперсии, тогда как в растворах низкой и умеренной ионной силы (ц < 0.4) образуются дисперсии, в спектрах кругового дихроизма которых интенсивная отрицательная полоса отсутствует. Приведены данные, свидетельствующие о влиянии "объемного заполнения" как на эффективность связывания молекул дендримера 4-ой генерации с ДНК, так и на характер пространственной упаковки молекул комплексов (ДНК-дендример G4) в частицах жидкокристаллической дисперсии. Высказано предположение о причинах, определяющих структурный полиморфизм жидкокристаллических дисперсий комплексов (ДНК-дендример).
Ключевые слова: ДНК, дендримеры, комплексообразование, жидкокристаллические дисперсии ДНК, круговой дихроизм, структура лиотропных жидких кристаллов.
LIQUID-CRYSTALLINE DISPERSIONS FORMED BY COMPLEXES OF LINEAR DOUBLE-STRANDED DNA MOLECULES WITH DENDRIMERS, by S. G. Skuridin1, V. I. Popenko1, V. A. Dubinskaya2, V. A. Bykov2, Yu. M. Yevdokimov1* (*Engelhardt Institute of Molecular Biology, Russian Academy of Sciences, Moscow, 119991 Russia, *e-mail: yevdokim@eimb.ru; 2Scientific Research and Education Methodical Center of Biomedical Technology of All-Russian Institute of Medicinal and Aromatic Herbs, Russian Academy of Agriculture Sciences, Moscow, 123056, Russia). The formation of liquid-crystalline dispersions as a result of interaction of linear, double-stranded DNA molecules with poly(propyleneimine) dendrimers in water-salt solutions was studied. It was shown, that this process does not depend on the ionic strength of solution and molecular structure of dendrimer. By means of the atomic force microscopy, it was established, that in the case of the dendrimer molecules of the 4-th generation (G4), the mean size of particles of (DNA-dendrimer G4) liquid-crystalline dispersion is equal to 300-400 nm. The "boundary" conditions (ionic strength of solution and molecular mass of dendrimer) of formation of optically active (cholesteric) and optically inactive of the (DNA-dendrimer) dispersions were determined using circular dichroism spectroscopy. The interaction of dendrim-ers of 1-st, 2-nd, 3-rd and 5-th generations with DNA molecules results in the obtaining of the optically inactive dispersions. Dendrimer molecules of 4-th generation induce the formation of two types dispersions: in solutions of high ionic strength (ц > 0.4) they induce the formation of cholesteric liquid-crystalline dispersions, and
Принятые сокращения: Ак - "кажущаяся" оптическая плотность; ДАБ-дендр.^К^^ - полипропилениминовый дендример; ЖКД - жидкокристаллическая дисперсия; КД - круговой дихроизм; MX - митоксантрон (антибиотик антрахиноновой группы); ПЭГ - полиэтиленгликоль; G1, G2, G3, G4, G5 - 1-ая - 5-ая генерации полипропилениминового дендримера; Скр. - "критическая" концентрация.
* Эл. почта: yevdokim@eimb.ru
in solutions of low or intermediate ionic strength (ц < 0.4) they can form the optically inactive one. The "molecular crowding" affects both the efficiency of binding of dendrimer molecules of 4-th generation to DNA, and the mode of spatial packing of (DNA-dendrimer G4) complexes in particles of liquid-crystalline dispersion. The possible reasons capable of explaining the structural polymorphism of (DNA-dendrimer) liquid-crystalline dispersions are discussed.
Key words: DNA, dendrimers, complex formation, DNA liquid-crystalline dispersions, circular dichro-ism, structure of lyotropic liquid crystals.
Известно, что взаимодействие линейных двухце-почечных молекул ДНК с поликатионами (биогенные полиамины [1], полиаминокислоты [2], катион-ные липиды [3], синтетические полипептиды [4], хи-тозан [5] и т.д.) сопровождается при соблюдении определенных условий (молекулярная масса и заряд поликатиона [6], ионная сила раствора [7, 8] и т.д.) образованием холестерических жидкокристаллических дисперсий (ЖКД). Частицы таких дисперсий характеризуются высокой плотностью упаковки молекул комплексов (ДНК-поликатион) и упорядоченной структурой этихо молекул, проявляемой в наличии рефлекса (~30 А) на малоугловых рентгенограммах [9], а также аномальной полосой в спектре кругового дихроизма (КД) в области поглощения азотистых оснований ДНК [10]. Известно также, что увеличение расстояния между молекулами ДНК до ~50 А уже не приводит к образованию холестерических ЖКД [11]. Изменение "набора" указанных выше условий сопровождается сменой знака аномальной полосы в спектре КД с отрицательного на положительный и/или, наоборот, с положительного на отрицательный [6]. Анализ отмеченных выше параметров позволил сформулировать представление о том, что факторами, влияющими на знак аномальной полосы в спектре КД частиц холестерических ЖКД комплексов (ДНК-поликатион), являются ионная сила раствора и расстояние между положительными зарядами в молекуле поликатиона [12].
Интерес к комплексам ДНК с разными поликатионами обусловлен тем, что такие конъюгаты рассматриваются в качестве потенциальной системы доставки генетического материала в клетки [13, 14]. Кроме того, изучение особенностей образования дисперсий комплексов (ДНК-поликатион) в модельных условиях позволяет сформулировать более четкое представление о механизмах конденсации молекул ДНК in vivo и энергетических параметрах, управляющих этим процессом [15, 16].
С этих точек зрения интерес представляет исследование специфичности взаимодействия молекул ДНК с дендримерами - разветвленными поликатионами, имеющими точно определенный размер, высокую плотность поверхностного заряда и достаточную коммерческую доступность. Несколько групп исследователей [17, 18] предприняли попытку изучения взаимодействия дендримеров с ДНК и по-
казали, что в его основе лежит электростатическое взаимодействие, эффективность которого зависит от ионной силы раствора. Учитывая тот факт, что молекулы дендримеров высоких генераций имеют объемную пространственную структуру, представляло интерес выяснить также роль размера молекулы дендримера как дополнительного фактора, влияющего на характер упаковки молекул ДНК.
Полипропилениминовые дендримеры (ДАБ-дендр.-(КН2)-,-) являются перспективными соединениями для проведения таких исследований.
ДАБ-дендр.-(КН2)х представляют собой растворимые в воде древообразные полимерные молекулы, имеющие разветвленную пространственную структуру (рис. 1). При физиологических значениях рН молекулы ДАБ-дендр.-(КН2)х несут на себе суммарный положительный заряд, что определяет их сродство к соединениям полианионной природы и, в частности, к ДНК. Взаимодействие молекул ДАБ-дендр.-(КН2)х с ДНК приводит к образованию плохо растворимых комплексов [17].
Ранее в нашей лаборатории получены предварительные данные [19], свидетельствующие о том, что при определенных условиях нерастворимые комплексы ДНК с дендримером 4-ой генерации имеют форму почти сферических частиц диаметром 300-400 нм, которые обладают аномальной оптической активностью, проявляемой в виде интенсивной отрицательной полосы в спектре КД, расположенной в области поглощения азотистых оснований ДНК (к = 270 нм).
Имеются также данные, свидетельствующие о том, что в случае полиамидоаминных дендримеров молекулы ДНК образуют дисперсии комплексов, в частицах которых они способны реализовать свое потенциальное стремление к холестерическому способу упаковки [18]. Однако детальная информация об эффективности образования ЖКД комплексов (ДНК-дендример) в зависимости от химического строения и молекулярной массы дендримера, а также свойств растворителя, в настоящее время отсутствует.
Цель настоящей работы состояла в выяснении условий формирования ЖКД комплексов двухце-почечной ДНК с ДАБ-дендр.-(КН2)х в водно-солевых растворах переменной ионной силы.
Рис. 1. Схематическое изображение диаминобутана (а) - повторяющейся структурной единицы в составе молекул по-липропилениминовых дендримеров, а также молекул этих соединений, принадлежащих соответственно к первой ^1; б) и пятой ^5; в) генерациям.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Использовали дополнительно очищенный от примесей [20] и деполимеризованный препарат ДНК из тимуса крупного рогатого скота ("Sigma", США) с молекулярной массой ~(0.3-0.7) х 106 Да.
Нативность деполимеризованного препарата ДНК контролировали по величине гиперхромного эффекта (~30-35%), сопровождающего кислотную денатурацию двухцепочечных нуклеиновых кислот [21].
Концентрацию ДНК
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.