Процессы получения наночастиц и наноматериалов, нанотехнологии

Размещено на http://www.allbest.ru/

33

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Пермский национальный исследовательский политехнический университет»

МЕХАНИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

Кафедра «Материалы, технологии и конструирование машин»

Процессы получения наночастиц и наноматериалов, нанотехнологии

Выполнила студентка группы МТН -11 Ложкина Ю.А.

Проверил Кульметьева В.Б.

Порозова С.Е.

Пермь 2013



Реферат

НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ, НАНОКОНСТРУКЦИИ, ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЙ ДИСПЛЕЙ, НАНОМОСТИКИ, ДАУНОМИЦИН (ДАУ), ЭНТРОПИЙНАЯ КОНДЕНСАЦИЯ, ЭНТАЛЬПИЙНАЯ КОНДЕНСАЦИЯ, ПОЛИКАТИОН, ХИТОЗАН, АМПЛИФИКАЦИЯ, КОНФОРМАЦИЯ МОЛЕКУЛ, ДНК - ОРИГАМИ, КОМПЛЕМЕНТАРНОСТЬ, ОТЖИГ, ОКТАЭДР.

Слова "нанотехнология", "наночастицы", "наноматериалы" известны уже широкому кругу исследователей. Действительно, манипуляции на уровне отдельных атомов позволяют создавать новые "структурированные" материалы и устройства, обладающие заранее заданными уникальными свойствами. В последнее время в научный оборот вошло такое понятие, как «нанобиотехнология», то есть формируются новые направления нанотехнологии, в которых "строительными блоками" при конструировании наноструктур служат молекулы биологического происхождения.



Содержание

ВВЕДЕНИЕ

1. БИОЛОГИЧЕСКИЕ МАКРОМОЛЕКУЛЫ И НАНОТЕХНОЛОГИЯ

2. НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ - ОСНОВА ДЛЯ СОЗДАНИЯ НАНОКОНСТРУКЦИИ

3. ПРОСТРАНСТВЕННОЕ УПОРЯДОЧЕНИЕ ДВУХЦЕПОЧЕЧНЫХ МОЛЕКУЛ НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ В РЕЗУЛЬТАТЕ «ЭНТАЛЬПИЙНОЙ КОНДЕНСАЦИИ» И НАНОКОНСТРУКЦИИ НА ОСНОВЕ ЭТИХ МОЛЕКУЛ

4. ПРОСТРАНСТВЕННОЕ УПОРЯДОЧЕНИЕ КОМПЛЕКСОВ ДВУХЦЕПОЧЕЧНЫХ МОЛЕКУЛ НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ С ПОЛИКАТИОНАМИ В РЕЗУЛЬТАТЕ «ЭНТАЛЬПИЙНОЙ КОНДЕНСАЦИИ» И НАНОКОНСТРУКЦИИ НА ОСНОВЕ ЭТИХ ПОЛИКАТИОНОВ

5. ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ НАНОКОНСТРУКЦИИ НА ОСНОВЕ ДВУХЦЕПОЧЕЧНЫХ МОЛЕКУЛ ДНК

6. ДНК - ОРИГАМИ

6.1 ДВУХМЕРНЫЕ СТРУКТУРЫ ИЗ ДНК

6.2 ТРЕХМЕРНЫЕ СТРУКТУРЫ ИЗ ДНК

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ



ВВЕДЕНИЕ

Фундаментальные исследования явлений, происходящих в структурах, имеющих размеры от 1 до 100 нм, лежат в основе новой области науки и техники, называемой нанотехнологией. Нанотехнология возникла из современных достижений и открытий в области визуализации, анализа и манипуляций со структурами, имеющими нанометровые размеры, контролируемого синтеза новых материалов и создания наноразмерных устройств.

Нанотехнологию можно определить как науку о создании и использовании «структурированных» материалов, устройств и систем с такими функциями, которые связаны с геометрическими размерами или специфическими особенностями наноструктур.

Принципиальную схему «составных частей» классической нанотехнологии, сложившихся к концу 20 века, иллюстрирует рис.1.

Комментируя приведенную на рис.1 схему, можно сказать, что «инженерная» (техническая) нанотехнология ориентирована на решение таких задач, как:

а) создание твердых тел и поверхностей с управляемой молекулярной структурой (создание наноматериалов);

б) конструирование новых типов химических соединений с управляемыми свойствами (наноконструирование);

в) создание наноразмерных самоорганизующихся и/или самореплицирующихся структур;

г) разработка устройств различного назначения (компоненты наноэлектроники, нанооптики, наноэнергетики и т.д.);

д) сопряжение наноразмерных устройств с электронными системами. [1]

Если говорить о наноматериалах на неорганической (в частности, кремниевой) основе, то можно выделить такие свойства этих материалов, как механическая прочность, сверхпроводимость, развитая поверхность и т.д. Создание наноматериалов и устройств, имеющих малый размер, низкую стоимость, низкое энергопотребление и т.д., открывает возможность их применения в различных областях науки и техники.

«Строительные блоки»

Размещено на http://www.allbest.ru/

33

Размещено на http://www.allbest.ru/

На схеме выделены основные направления исследований. К очень важному направлению относится совсем новое направление - «опасность нано(био)материалов»; первые дискуссии в рамках этого направления были проведены в декабре 2005г. [2].

Нанотехнологии должны обеспечить высокий потенциал экономического роста, они определяют качество жизни населения, технологическую и оборонную безопасность, ресурсо- и энергосбережение, т.е. полностью соответствует социальным запросам любого общества.



1. БИОЛОГИЧЕСКИЕ МАКРОМОЛЕКУЛЫ И НАНОТЕХНОЛОГИЯ

Материалы ряда семинаров и симпозиумов, проведенных в разных странах, в последнее время (см., например, материалы Международной конференции NanoTech 2005. May 8--12. Anaheim, California, USA) [3] показывают, что число исследований в областях нанотехнологии, в которых используются биологические макромолекулы, стремительно увеличиваются. Такой интерес к биологическим молекулам является вполне оправданным. В процессе эволюции биологические молекулы приобрели целый ряд таких свойств, которые делают их крайне привлекательными для применения в нанобиотехнологии. Среди них можно отметить следующие: во-первых, нужно отметить химическое многообразие «строительных блоков», таких как аминокислоты, липиды и нуклеотиды (нуклеозиды), несравнимое по своей численности со «строительными блоками» на неорганической основе; во-вторых, сами «строительные блоки» склонны к спонтанному, но регулируемому на молекулярном уровне образованию сложных пространственных структур; в-третьих, существует множество путей, по которым происходит сборка (полимеризация) «строительных блоков», что открывает возможность создания огромного ряда наноструктур. Иерархия самособирающихся биологических структур начинается с мономеров (т.е. нуклеотидов и нуклеозидов, аминокислот, липидов и др.), которые образуют биополимеры (такие, как ДНК, РНК, белки, полисахариды), затем их ансамбли (мембраны, органеллы) и, наконец, клетки, органы и даже организмы. (Можно сказать, что биология - это наука, в которой нанобиотехнология действительно «работает»). Наконец, нанобиоматериалы, зачастую получаемые в результате самосборки, могут иметь не только улучшенные свойства, но и уникальные области применения. Сочетание химической реакционной способности биополимеров, с их склонностью к созданию иерархических наноструктур, возможность промышленного получения биополимеров делают эти молекулы удобным объектом для применения в нанотехнологии. Поэтому использование биологических молекул для создания искусственных наноструктур на основе принципов, предлагаемых природой, выглядит вполне естественным. Было бы странным не использовать для наноконструирования те возможности, которые широко предоставляет живая природа. Более того, успехи в химическом синтезе и биотехнологии, позволяющие сочетать «строительные блоки» разной природы, т.е. создавать «химерные» молекулы, содержащие в своем составе, например, аминокислоты и синтетические органические цепи, открывают фантастическую возможность - они позволяют создавать такие нанобиоматериалы и наноструктуры, которые, в принципе, отсутствуют в природе. Таким образом, можно ожидать, что по мере развития нанобиотехнологии будет происходить «перенос» биополимеров из мира биологии в мир техники.



2. НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ - ОСНОВА ДЛЯ СОЗДАНИЯ НАНОКОНСТРУКЦИЙ

Возможность применения нуклеиновых кислот для создания наноконструкции с регулируемыми параметрами основана на учете ряда свойств, характерных только для этих молекул:

а) одно - и двухцепочечные молекулы нуклеиновых кислот с заранее заданными последовательностями азотистых оснований могут быть получены в промышленных масштабах средствами современной биотехнологии;

б) высокая локальная жесткость коротких (длиной 500 - 1000?) молекул двухцепочечных нуклеиновых кислот при нормальных свойствах растворителя позволяет использовать такие молекулы в качестве «строительных блоков» без нарушения их свойств;

в) гибкая, одноцепочечная нуклеиновая кислота «узнает» комплементарную ей другую цепочку и за счет Н-связей образует с ней прочный комплекс, что открывает возможность для получения жесткой двухцепочечной структуры;

г) формирование мест «разветвления» в составе двухцепочечных молекул нуклеиновых кислот в сочетании с комплементарными (узнающими, «липкими») концами позволяет создавать плоские решетки и сложные пространственные структуры;

д) предсказываемый и заранее программируемый характер пространственных форм жестких молекул двухцепочечных нуклеиновых кислот при изменении свойств растворителя и характер межмолекулярного взаимодействия в разных условиях открывают путь для направленной регуляции свойств создаваемых пространственных конструкций;

е) азотистые основания в пространственных структурах нуклеиновых кислот сохраняют способность не только к взаимодействию с разными химическими соединениями и биологически активными веществами, но и к их специфической ориентации относительно длинной оси молекулы нуклеиновой кислоты, что придает всей конструкции дополнительную химическую реакционную способность.

Наноконструирование на основе двухцепочечных нуклеиновых кислот, т.е. направленное создание сложных пространственных структур (наноконструкции, наноматериалов) с регулируемыми свойствами, «строительными блоками» которых являются молекулы двухцепочечных нуклеиновых кислот (ДНК или РНК), вызывает в последнее время большой интерес исследователей [4-8].

В настоящее время описаны несколько стратегий создания наноконструкций на основе двухцепочечных нуклеиновых кислот, позволяющих контролировать структуру наноматериалов с молекулярной точностью.

В основе технологии создания наноконструкции, предложенной Н.Зиманом [9] в 1982г., лежит представление о создании пространственных структур в результате последовательной модификации исходной молекулы двухцепочечной ДНК, приводящей вначале к созданию плоской нанорешетки, а затем структур типа куба, октаэдра и т.д., ребрами жесткости, которых являются молекулы ДНК. В состав таких пространственных структур предполагается включать молекулы «гостей», что будет придавать по мнению авторов, наноконструкции новые, полезные свойства. Тем не менее, важнейшая задача наноконструирования - создание пространственных конструкций с управляемыми свойствами, содержащих в своем составе молекулы других соединений (гостей), не решена в рамках рассмотренной технологии. Эта технология, является трудоемкой, ресурсозатратной, она требует непрерывного контроля «качества» каждой из стадий процесса наноконструирования.

Физическая химия двухцепочечных нуклеиновых кислот и их комплексов свидетельствуют о том, что существуют другие, более простые способы упорядочения соседних молекул нуклеиновых кислот.

В основе технологий создания наноконструкций, разработанных в Институте молекулярной биологии РАН [10], которые в принципе отличаются от технологии Н.Зимана, лежит представление о возможности создания пространственных структур нуклеиновых кислот в результате различных вариантов самопроизвольного упорядочения соседних молекул нуклеиновых кислот (или комплексов нуклеиновых кислот) при их фазовом исключении.



3. ПРОСТРАНСТВЕННОЕ УПОРЯДОЧЕНИЕ ДВУХЦЕПОЧЕЧНЫХ МОЛЕКУЛ НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ В РЕЗУЛЬТАТЕ «ЭНТРОПИЙНОЙ КОНДЕНСАЦИИ» И НАНОКОНСТРУКЦИИ НА ОСНОВЕ ЭТИХ МОЛЕКУЛ

Первый из вариантов технологии наноконструирования основан на использовании частиц жидкокристаллических дисплеев (ЖКД), которые образуются в результате фазового исключения жестких, линейных, двухцепочечных нуклеиновых кислот из водно-солевых растворов некоторых полимеров при соблюдении ряда условий (молярная масса нуклеиновых кислот, молярная масса и концентрация полимера, ионная сила раствора, его солевой состав и т.д.) [11]. Полимер не входит в состав образующихся частиц жидкокристаллических дисплеев. ( Фазовое исключение нуклеиновых кислот называется также «? - конденсация» (? - акроним от слов polymer - salt - induced, psi), «энтропийная конденсация» нуклеиновых кислот).

Частицы жидкокристаллических дисплеев обладают несколькими особенностями, представляющими интерес для наноконструирования. Во - первых, для частиц жидкокристаллических дисплеев двухцепочечных нуклеиновых кислот характерно сохранение химической реакционной способности структурных элементов (азотистых оснований и т.д.), высокая (в пределах от 160 до 400 мг/мл!) локальная концентрация и упорядоченное расположение соседних молекул нуклеиновых кислот в частицах жидкокристаллических дисплеев. В зависимости от осмотического давления раствора, расстояние между соседними молекулами нуклеиновых кислот в частицах жидкокристаллических дисплеев можно регулировать в пределах 2.5 - 5.0 нм [12]. Во - вторых, как правило, молекулы нуклеиновых кислот, в силу присущей им геометрической и оптической анизотропии, стремятся упаковаться в частицах жидкокристаллических дисплеев, таким образом, при котором возникает спирально закрученная пространственная структура соседних слоев молекул нуклеиновых кислот (так называемая «холестерическая» структура). Формирование холестерических жидкокристаллических дисплеев нуклеиновых кислот сопровождается появлением аномальной оптической активности, проявляемой в виде интенсивной полосы в спектре в области поглощения хромофоров нуклеиновых кислот. В-третьих, на поверхности соседних молекул нуклеиновых кислот, фиксированных в пространственной структуре частиц жидкокристаллических дисплеев, присутствуют реакционно - способные группы (места) либо такие группы могут быть химически встроены в структуру молекул нуклеиновых кислот без нарушения их способности к образованию частиц ЖКД. Такими местами являются, в частности, азотистые основания, образующие комплексы с ионами металлов; ими могут быть молекулы лигандов, дополнительно вводимых в систему. Учитывая расстояние между соседними молекулами нуклеиновых кислот. «Сшивки» можно назвать «наномостиками», которые соединяют эти молекулы. Поскольку наномостики могут формироваться между любыми соседними молекулами двухцепочечных нуклеиновых кислот, этот процесс приведет к возникновению трехмерной пространственной структуры, которую можно назвать «наноконструкцией». Наконец, если процесс формирования наномостиков удастся реализовать таким способом, при котором пространственная структура частиц жидкокристаллических дисплеев остается неизменной, то аномальная оптическая активность позволит контролировать изменение не только вторичной структуры исходных молекул нуклеиновых кислот, но и появление в структуре наноконструкции молекул, образующих наномостики.



Размещено на http://www.allbest.ru/

33

Размещено на http://www.allbest.ru/

Наноконструкцию на основе двухцепочечных ДНК получали по следующей схеме: из двухцепочечных молекул ДНК формировали жидкокристаллический дисплей (кривая 1, рис.2), добавляли к ней раствор антрациклинового антибиотика дауномицина |ДАУ|, до формирования «внешнего» комплекса (кривая 2), и затем обрабатывали раствором CuCl₂ (кривая 3). При добавлении CuCl₂ к жидкокристаллическому дисплею ДНК, обработанной раствором антрациклинового антибиотика и имеющей равновесное значение амплитуды полосы при ? ~ 500 нм (кривая 2), происходит усиление (амплификация) полосы, соответствующей оптическим свойствам хромофора комплекса |ДАУ - Cu²⁺|. При использовании нами условиях (молярная масса ДНК ~ 8*10⁵ Да, концентрация ДНК ~ 5 мкг/мл) максимальная амплитуда полосы при ? ~ 500 нм составляет приблизительно 2500 единиц.

Амплификация полосы при ? ~ 500 нм свидетельствует о том, что хромофор комплекса |ДАУ - Cu²⁺| пространственно фиксирован относительно молекул ДНК в составе частиц жидкокристаллических дисплеев [13]. Хотя существует две разные модели фиксации комплексов |ДАУ - Cu²⁺| вблизи поверхности молекул ДНК [14,15], экспериментальные данные позволяют сделать однозначный выбор в пользу модели комплекса, выполняющего функцию «наномостика» между молекулами ДНК [16]. Эффективность образования наномостиков зависит от концентрации как молекул ДАУ, так и ионов меди [13].

«Критическая» концентрация в случае ДАУ означает, что в образовании наномостиков принимают участие те молекулы ДАУ, которые становятся доступными для химической реакции после завершения интеркаляции ДАУ. Критическая концентрация в случае ионов меди показывает, что эти ионы индуцируют в молекуле нуклеиновой кислоты какие-то изменения, после чего ионы меди (или их комплексы с парами оснований и (или) ДАУ) становятся доступными для дальнейшего хелатообразования, необходимого для строительства наномостиков. (Это означает, что порядок добавления компонентов, а именно, ДАУ и ионов меди, важен для построения наномостиков).

Экспериментальные данные, полученные при помощи разных физических методов, включая низкотемпературную магнитометрию, показывают, что в состав наномостика может входить до 6 ионов меди (II), и наномостик […-- Cu²⁺ -- ДАУ-- Cu²⁺ -...] имеет структуру, показанную на рис. 3. Наномостики представляют собой плоские хелатные комплексы, которые возникают между пространственно упорядоченными молекулами ДНК, расположенными как в одном слое, так и в соседних слоях [16]. Этот процесс приводит к возникновению трехмерной наноконструкции.



Рисунок 3 - Структура наномостиков между молекулами нуклеиновых кислот (для удобства восприятия мостики повернуты на 90° по отношению к парам азотистых оснований).

Можно перечислить некоторые свойства созданной наноконструкции. Во-первых, в отличие от исходных частиц жидкокристаллических дисплеев, свойства наноконструкции не зависят от осмотического давления раствора, а определяются числом наномостиков. Во-вторых, холестерическая структура исходных частиц жидкокристаллических дисплеев двухцепочечных ДНК теряет свой «жидкостной» характер. В-третьих, для наноконструкции ДНК характерна не только аномальная оптическая активность, проявляемая в виде интенсивной полосы в спектре КД в области поглощения ДНК, но и дополни- тельная аномальная оптическая активность в области поглощения хромофоров антибиотика. В-четвертых, наноконструкция характеризуется двумя тепловыми структурными переходами: один из них соответствует «КД-плавлению» наномостиков, другой -- «КД-плавлению» холестерика ДНК. Величина «температуры плавления», ?_пл, наномостиков растет по мере увеличения концентрации их структурных элементов, оставаясь при этом ниже величины ?_пл исходного холестерика двухцепочечного ДНК [17] . Наконец, в наноконструкции сохраняется высокая локальная концентрация молекул ДНК (достигающая 400 мг/мл!), а следовательно, в составе наноконструкции возникает высокая концентрация противоопухолевого антибиотика -- дауномицина.

Сказанное выше означает, что наноконструкция представляет собой новый тип биоматериала, свойства которого можно регулировать в широких пределах.

Учитывая стабильность наноконструкции, ее частицы были визуализированы при помощи атомного силового микроскопа [16]. Частицы по форме близки к вытянутым цилиндрам. Оценка размера 400 частиц показывает, что хотя размер частиц меняется в пределах от 0.4 до 0.8 мкм, средняя величина составляет около 0.5 мкм. Это означает, что размер полученных нами частиц жидкокристаллических дисплеев, в составе которых молекулы ДНК «сшиты» наномостиками (т.е. наноконструкций, существующих в отсутствии осмотического давления раствора), совпадает с размером исходных частиц ЖКД из двухцепочечных молекул ДНК, рассчитываемым теоретически в случае растворов с постоянным осмотическим давлением [18].

Таким образом, технология, основанная на «энтропийной конденсации» исходных двухцепочечных нуклеиновых кислот, приводит к созданию наноконструкций, обладающих уникальными свойствами.



4. ПРОСТРАНСТВЕННОЕ УПОРЯДОЧЕНИЕ КОМПЛЕКСОВ ДВУХЦЕПОЧЕЧНЫХ МОЛЕКУЛ НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ С ПОЛИКАТИОНАМИ В РЕЗУЛЬТАТЕ «ЭНТАЛЬПИЙНОЙ КОНДЕНСАЦИИ» И НАНОКОНСТРУКЦИИ НА ОСНОВЕ МОЛЕКУЛ ЭТИХ ПОЛИКАТИОНОВ

Альтернативу рассмотренному выше подходу к наноконструированию может составить второй вариант технологии, основанный на так называемой «энтальпийной конденсации» двухцепочечных молекул нуклеиновых кислот. Для реализации этого варианта пространственного упорядочения молекул ДНК используют природные или синтетические катионы, которые, образуя комплексы с нуклеиновыми кислотами в водно-солевых растворах, обеспечивают нейтрализацию 80--90% отрицательных зарядов фосфатных групп молекул нуклеиновых кислот, вызывая спонтанное фазовое исключение этих молекул из растворов. При таком фазовом исключении могут формироваться жидкокристаллические дисплеи. В качестве поликатионов, вызывающих образование ЖКД, использованы полиамины, полиаминокислоты, белки (гистоны) и т.д. Однако в этом случае свойства частиц жидкокристаллических дисплеев заметно отличаются от свойств частиц ЖКД, образующихся при «энтропийной конденсации» нуклеиновых кислот. Во-первых, вводимый в систему поликатион, входит в состав частиц жидкокристаллических дисплеев, образующихся в водно-солевых растворах. Во-вторых, в зависимости от эмпирического сочетания нескольких факторов, а именно, ионной силы раствора, содержания положительно заряженных групп, стерической структуры молекулы поликатиона и т.д., реализуются разные способы упаковки молекул комплексов (НК-поликатион) в образующихся частицах. Как правило, это гексагональная упаковка комплексов (НК-поликатион) в частицах ЖКД, для которой характерны брэгговские расстояния в пределах от 26 до 29 ? [19]. Однако в некоторых случаях при удачном выборе поликатиона удается реализовать холестерическую упаковку комплексов (НК-поликатион) [19].

С этой точки зрения внимание привлекают полиаминосахара, в частности природный биодеградируемый полимер -- хитозан (поли[?(1-->4)-2-амино-2-деокси- D-глюкопираноза]). Показано, что взаимодействие этого поликатиона с двухцепочечным ДНК приводит к образованию холестерических жидкокристаллических дисплеев [20], имеющих аномальные полосы в спектре. На кривых рассеяния рентгеновских лучей на фазе, сформированной из частиц ЖКД дисперсии комплекса (ДНК-Хи), присутствует один брэгговский рефлекс (d Брэгг ~ 26 A °). Величина брэгговского рефлекса, характеризующая среднее расстояние между соседними молекулами комплексов (ДНК-Хи) в образованной фазе, существенно меньше по сравнению с величиной d Брэгг, характерной для частиц ЖКД «чистой» ДНК, и соответствует переходной области между холестерической и гексагональной жидкокристаллической фазами [19].

Ряд свойств молекул хитозана (Хи) в составе комплексов (ДНК-Хи) интересен с точки зрения наноконструирования. Во-первых, в силу стерической структуры молекул Хи только часть аминогрупп этих молекул взаимодействует с фосфатными группами ДНК, другая часть аминогрупп оказывается экспонированной во «внешнюю» среду. Во-вторых, амино- и гидроксильные группы соседних сахарных остатков молекул Хи могут образовывать прочные комплексы с ионами металлов [21]. В частности, константа связывания иона двухвалентной меди составляет около 10¹⁴ М [21,22], причем образующийся хелатный комплекс имеет планарную структуру. Такой комплекс, в принципе, может служить местом «начала» («окончания») наномостиков, которые в этом случае соединят не молекулы ДНК, а молекулы Хи, фиксированные на поверхности ДНК. Наконец, аномальная полоса в спектре ЖК дисплея комплексов (ДНК-Хи), имеющая в зависимости от целого ряда условий либо положительный, либо отрицательный знак, позволит следить за изменениями в пространственной структуре частиц ЖК дисплеев.

Имея на руках данные, характеризующие свойства наноконструкций на основе двухцепочечных молекул ДНК, и учитывая свойства частиц ЖК дисплея комплексов (ДНК-Хи), была предпринята попытка создания наномостиков между соседними молекулами Хи, фиксированными в структуре частиц их ЖК дисплеев.

При добавлении CuCl₂ к ЖК дисплею комплекса (ДНК- Хи), имеющей положительный знак полосы в спектре и последующей ее обработке ДАУ, возникает интенсивная положительная полоса при ?~ 500 нм (рис. 4), соответствующая оптическим свойствам хромофора комплекса [ДАУ-- Cu²⁺].

молекула наноконструкция нуклеиновый энтальпийный



Аналогичная амплификация наблюдается также при обработке ЖК дисплея, сформированной из комплекса (ДНК-Хи), в котором молекулы Хи имеют другое содержание аминогрупп, и ЖК дисплей этого комплекса (ДНК-Хи) характеризуется отрицательной полосой в спектре.

Амплификация полосы в области поглощения хромофора [ДАУ-- Cu²⁺] показывает, что этот хромофор пространственно фиксирован по отношению к молекулам Хи в любых ЖК дисплеях, сформированных из комплексов (ДНК-Хи).

Эффективность нарастания аномальной полосы в спектре ЖК дисплея комплексов (ДНК-Хи) зависит также, как и в случае «чистой» ДНК, от концентрации молекул ДАУ и ионов меди.

Не исключено, что, также как и в случае чистой ДНК, часть молекул ДАУ может интеркалировать между парами оснований ДНК в составе комплекса (ДНК-Хи), но этот процесс быстро достигает своего равновесия.

Отсутствие «критической» концентрация в случае ионов меди означает, что в отличие от случая «чистой» ДНК в молекулах Хи, фиксированных в структуре комплекса (ДНК-Хи), всегда имеются химические группы, стерически доступные для реакции хелатообразования. Такими группами могут быть аминогруппы и гидроксильные группы сахарных остатков Хи, образующие хелатные комплексы с ионами меди с высокой константой связывания [21,22].

Сопоставление полученных результатов (рис. 6) с результатами формирования наномостиков в случае «чистой» ДНК (рис. 2) свидетельствует об их качественном соответствии. На основании этого можно утверждать, что амплификация полосы при ? ~ 500 нм в спектрах ЖК дисплеев разных комплексов (ДНК-Хи) обусловлена возникновением наномостиков типа […-- Cu²⁺ -- ДАУ-- Cu²⁺ -...] между соседними молекулами Хи, связанными в комплексы с молекулами ДНК в составе частиц ЖК дисплея.

Учитывая тот факт, что в этом случае, так же как и в случае «чистой» ДНК, наномостики могут возникать между соседними молекулами Хи, расположенными как в одном слое, так и молекулами Хи в соседних слоях, амплификация полосы ? ~ 500 нм отражает возникновение пространственной наноконструкции. Это означает, что формирование наноконструкций на основе ЖК дисплеев молекул ДНК комплексов (ДНК - Хи) имеет во всех случаях одно и тоже оптическое «проявление».

Интересным результатом, указывающим на то, что конформация молекул Хи важна для наноконструирования, является зависимость величины аномальной амплитуды полосы (? 505 нм) в спектрах КД ЖКД комплексов (ДНК-Хи) от содержания аминогрупп в молекулах Хи. Данные, приведенные в работе [23], показывают, что имеется минимальное (предельно малое) расстояние между аминогруппами (около 12 ?, что приблизительно соответствует расстоянию между этими группами «через одну»), на котором могут находиться соседние наномостики […-- Cu²⁺ -- ДАУ-- Cu²⁺-... ]. Малая величина аномальной оптической активности в этих условиях может быть обусловлена двумя причинами. Во-первых, не исключено, что, несмотря на высокую концентрацию потенциальных мест образования наномостиков, т.е. высокую концентрацию амино- и гидроксильных групп в молекулах Хи, стерическая структура молекул Хи не является оптимальной для образования наномостиков. Во-вторых, не исключено, что при малом расстоянии между потенциальными местами образования наномостиков […-- Cu²⁺ -- ДАУ-- Cu²⁺ -..] стерическое взаимодействие между компонентами наномостиков, в частности между объемными аминосахарными остатками молекул ДАУ, запрещает их близкое расположение. По мере увеличения расстояния между аминогруппами в молекулах Хи стерическая структура молекулы Хи меняется таким образом, что ориентация соседних амино- и гидроксильных групп в сахарных остатках Хи оказывается достаточной для оптимальной ориентации соседних наномостиков в создаваемой наноконструкции, и в этих условиях обеспечивается высокая аномальная оптическая активность наноконструкции.

С этой точки зрения интересно сопоставить значения максимальных амплитуд полос, наблюдаемых при создании наноконструкции на основе ЖК дисплеев чистой ДНК и комплексов (ДНК-Хи). При использованных нами условиях (мол. масса ДНК ~ 8х10⁵ Да, концентрация ДНК ~ 15 мкг/мл) максимальная амплитуда полосы при ? ~ 500 нм, характерная для ЖКД комплексов (ДНК-Хи), не превышает 2500 единиц ?А, несмотря на разные препараты Хи. Если сопоставить это значение со значением амплитуды, измеренным ранее для ЖК дисплея ДНК и учесть корреляцию между концентрацией ДНК и амплитудой аномальной полосы в спектре для ЖКД, то можно утверждать, что в случае ЖКД комплексов (ДНК- Хи) амплитуда максимальной полосы приблизительно в 3 раза меньше по сравнению с амплитудой полосы, характерной для наноконструкций, сформированных из ЖК дисплея «чистых» двухцепочечных ДНК. Такое различие может быть следствием нескольких причин. Во-первых, оно может отражать меньшее число наномостиков, во-вторых, оно может отражать меньшую физическую длину (размер) наномостиков, поскольку расстояние между молекулами комплекса (ДНК-Хи) меньше по сравнению с расстоянием между «чистыми» молекулами ДНК, и, наконец, оно может быть связано с тем, что угол наклона наномостиков между молекулами Хи в составе комплекса (ДНК-Хи) в ЖК дисплеях отличается от угла наклона в случае наномостиков между «чистыми» молекулами ДНК, что может быть связано с конформацией молекул Хи, расположенных на соседних молекулах ДНК.

Тот факт, что в случае ЖКД комплексов (ДНК-Хи) физический размер наномостиков может быть небольшим, в сочетании с тем, что ионы меди могут образовывать очень прочные хелатные комплексы с соседними амино- и гидроксильной группами сахарных остатков Хи [24,25], позволяет предполагать, что структура и свойства полученных наноконструкций могут заметно отличаться от свойств наноконструкций на основе «чистой» ДНК. Действительно, как показывают предварительные опыты, амплитуда аномальной полосы (? 505 нм) в спектрах ЖК дисплеев наноконструкций на основе разных комплексов (ДНК-Хи) практически не меняется при увеличении температуры. Это означает, что пространственная структура ЖКД комплексов (ДНК-Хи) остается неизменной при использованных условиях нагревания, т.е. тепловая стабильность наноконструкций на основе ЖКД комплексов (ДНК-Хи) заметно превышает стабильность не только наноконструкций на основе «чистой» ДНК, но и ЖК дисплеев, сформированной из комплексов (ДНК-Хи).

Размещено на http://www.allbest.ru/

33

Размещено на http://www.allbest.ru/

Очевидно, что для построения конкретной модели наномостиков между соседними молекулами комплексов (ДНК-Хи) в частицах ЖК дисплея, а следовательно, для построения пространственной модели наноконструкции требуется проведение дополнительных исследований.

Таким образом, независимо от предлагаемых способов пространственного упорядочения соседних молекул нуклеиновых кислот (или их комплексов), для образования наномостиков можно использовать один и тот же прием, основанный на образовании протяженных хелатных комплексов («сшивок») между упорядоченными в структуре ЖК дисплея молекулами нуклеиновых кислот или молекулами поликатионов.

Приведенные выше результаты показывают, что, пользуясь разными технологиями упорядочения молекул двухцепочечных ДНК в частицах ЖК дисплеев, можно создавать наноконструкции, различающиеся по свойствам. Использованные технологии открывают возможность их модификации с учетом требований, возникающих при решении конкретных задач.



5. ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ НАНОКОНСТРУКЦИИ НА ОСНОВЕ ДВУХЦЕПОЧЕЧНЫХ МОЛЕКУЛ ДНК

Комбинация свойств молекул нуклеиновых кислот и молекул антибиотика, участвующего в образовании наномостика, открывает ряд возможностей для практического применения наноконструкций.

1. Наноконструкции, концентрация ДНК в которых превышает 200 мг/мл, могут быть использованы в качестве «носителей» генетического материала или различных БАС, вводимых в состав этих структур. (Области применения -- медицина, биотехнология.)

2. Наноконструкции на основе частиц ЖК дисплеев двухцепочечных ДНК (РНК) -- это чувствительные элементы (биодатчики) оптических биосенсоров, позволяющих определять наличие БАС, в частности генотоксикантов, в физиологических жидкостях. (Области применения -- медицина, экология, биотехнология).

3. Наноконструкции с управляемыми физико-химическими свойствами, включенные в состав полимерных пленок (гидрогелей), могут быть использованы в технике, в частности, в качестве оптических фильтров. (Области применения -- оптика, электроника.)

Таким образом, приведенные выше данные показывают, что двухцепочечные молекулы нуклеиновых кислот -- это важный, полифункциональный объект нанобиотехнологии. Направленное и регулируемое изменение свойств этих молекул обеспечивает широкие возможности для создания нанобиоструктур, которые могут найти применение в различных областях науки и техники.



6. ДНК - ОРИГАМИ

С помощью химического синтеза можно напрямую синтезировать цепи ДНК длиной до 120 нуклеотидов. То есть в 21 веке можно легко и дешево делать ДНК любой последовательности, какой только захотеть. Для этого есть принцип комплементарности -- как только в последовательности ДНК появляются комплементарные зоны, они слипаются и образуют двухцепочечный участок. Очевидно, если делать структуры, стабильные при комнатной температуре, значит, нужно рассчитать температуру плавления для данных участков и сделать ее достаточно большой. При этом на одной цепи ДНК возможно сделать много разных областей с разными последовательностями и слипаться будут только комплементарные. Так как комплементарных областей может быть несколько, в результате молекула может свернуться достаточно сложным образом!

Так же, помимо положительного дизайна (создание областей, способных образовывать нужную нам структуру), при разработке структур с самосборкой нельзя забывать и о негативном дизайне -- нужно проверять получившуюся последовательность ДНК на потенциальное наличие паразитных взаимодействий (когда части созданных областей оказываются способными взаимодействовать по-другому, образуя ненужные нам паразитные структуры) и от этих паразитных структур и взаимодействий избавляться, меняя нуклеотидную последовательность ДНК. Как получить простейшие структуры ДНК типа «шпильки» достаточно очевидно, но скучно и неинтересно. Можно ли из ДНК сделать что-то посложнее? Здесь уже без компьютерных вычислений не обойтись. Если нужно сделать некую структуру и теперь должны подобрать последовательность ДНК, которая в эту структуру свернется за счет взаимодействия комплементарных областей, но при этом в последовательности не должно быть паразитных взаимодействий, непредусмотренных комплементарных областей, образующих альтернативные структуры. Плюс структура должна отвечать другим критериям, например, иметь температуру плавления выше некоторой заданной величины.

6.1 ДВУХМЕРНЫЕ СТРУКТУРЫ ИЗ ДНК

Методологический прорыв устроил Paul Rothemund (Калифорнийский Технологический Институт) в 2006 году, именно он и придумал термин «ДНК-оригами». В своей статье в «Nature» он представил множество забавных двухмерных объектов, сделанных из ДНК. Принцип, предложенный им, достаточно прост: взять длинную (примерно 7000 нуклеотидов )«опорную» одноцепочечную молекулу ДНК и затем с помощью сотни коротких ДНК-скрепок, образующих двухцепочечные области с опорной молекулой, согнуть опорную ДНК в нужную двухмерную структуру. Для начала (а) надо нарисовать нужную нам форму красным цветом и прикинем, как заполнить ее ДНК (представим ее на этом этапе в виде труб). Далее (b) представить, как провести одну длинную опорную молекулу по нужной форме (показана черной линией). На третьем этапе (с) подумать, где разместить «скрепки», стабилизирующие укладку длинной опорной цепи. Четвертый этап (d): больше деталей, как будет выглядеть вся нужнаяструктура ДНК и, наконец, (e) схема нужной нам структуры, можно заказывать ДНК нужной последовательности!



Рисунок 6 - этапы получения двухмерных объектов.

Как же из химически синтезированных ДНК собрать нужную структуру? Здесь на помощь приходит процесс плавления. Нужно взять пробирку с водным раствором, бросить в нее все фрагменты ДНК и нагревать до 94-98С, температуры, которая гарантировано плавит всю ДНК (переводит ее в одноцепочечную форму). Далее просто очень медленно (в течении многих часов, в некоторых работах -- в течении нескольких дней) охлаждать пробирку до комнатной температуры (эта процедура называется «отжиг», annealing). При этом медленном охлаждении, когда температура оказывается достаточно низкой, постепенно образуются нужные нам двухцепочечные структуры. В оригинальной работе в каждом эксперименте примерно 70% молекул успешно собирались в нужную структуру, остальные имели дефекты.

Далее, после того, как структура рассчитана, неплохо бы доказать, что она собирается именно так, как надо. Для этого чаще всего используют атомно-силовую микроскопию, которая как раз прекрасно показывает общую форму молекул, но иногда используют и cryo-EM (электронную микроскопию). Автор сделал множество веселых форм из ДНК.

Рисунок 7 - примеры ДНК - оригами.

6.2 ТРЕХМЕРНЫЕ СТРУКТУРЫ ИЗ ДНК

После того, как разобрались с конструированием сложных плоских объектов, почему бы не перейти к третьему измерению? Здесь пионерами была группа ребят из Института Скриппса в Ла-Холле, Калифорния, которые в 2004 году придумали, как из ДНК сделать нано - октаэдр. Хотя эта работа и сделана на 2 года раньше плоского ДНК-оригами, в тот раз был решен лишь частный случай (получение октаэдра из ДНК), а в работе по ДНК-оригами было предложено общее решение, поэтому именно работа 2006 года по ДНК-оригами считается основополагающей.

Октаэдр был сделан из одноцепочечной молекулы ДНК длиной примерно 1700 нуклеотидов, имеющей комплементарные области и к тому же скрепленной пятью 40-нуклеотидными ДНК-адаптерами, в результате был получен октаэдр с диаметром 22 нанометра.

Рисунок 8 - полученный октаэдр из ДНК.

В 2009 году ученые из Бостона и Гарвардского Университета опубликовали принципы построения трехмерного ДНК-оригами , как они сами говорят, по подобию пчелиных сот. Одно из достижений этой работы -- люди написали open-source программу caDNAno для конструирования трехмерных структур ДНК (она работает на Autodesk Maya). С этой программой даже неспециалист может собрать нужную структуру из готовых блоков с использованием простенького графического интерфейса, а программа рассчитает необходимую последовательность ДНК [26].



ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе дано представление об основных направлениях нанотехнологии. Также внимание уделено созданию наноструктур на основе биологических молекул, в частности нуклеиновых кислот. Исходя из физико-химических свойств молекул двухцепочечных нуклеиновых кислот, рассмотрены две стратегии создания наноконструкции на их основе. В основе первой из них лежит представление об энтропийном упорядочении соседних молекул нуклеиновых кислот; в основе второй - представление об энтальпийном упорядочении молекул нуклеиновых кислот, отрицательные заряды фосфатных групп которых нейтрализованы противоионами. Приведены примеры создания наноконструкции на основе нуклеиновых кислот и отмечены их уникальные свойства, определяющие широкие возможности практического применения этих наноконструкций.

Также в работе представлен факт о том, как из ДНК, несущей нашу генетическую информацию, можно создавать всякие хитрые, плоские и трехмерные штуки нанометрового размера. Та самая нанотехнология, как она есть. В этом обзоре описано развитие ДНК - оригами: двухмерные смайлики из ДНК, трехмерные фигуры.



СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Евдокимов Ю.М., Захаров М.А., Скуридин С.Г. Нанотехнология на основе нуклеиновых кислот// Вестник РАН. 2006. T.76. №2 С. 112 - 120.

2. Report of the OECD workshop on the safety of manufactured nanomaterials.Washington DC., Dec. 7--9. 2005. P. 149.

3. Пространственно упорядоченные формы ДНК и ее комплексов - основа для создания наноконструкций для медицины и биотехнологий / Евдокимов Ю.М.// Российские нанотехнологии 2006. Том 1. №1 - 2. С. 256 - 264.

4. Niemeyer C.M. // Appl. Phys. A. 1999. V. 68. P. 119.

5. Lowe C.R. // Current Opinion in Structural Biology. 2000. V. 10. P. 428.

6. Csaki A., Maubach G., Born D et al // Single Mol. 2002. V. 5 -- 6. P. 275.

7. Katz E., Willner I. // Angew. Chemie. Internatl. Ed. 2004. V. 43. P. 6042.

8. Fortina P., Kricka L.K., Surrey S., et al. // Trends in Biotechnology. 2005. V. 23. P. 168.

9. Seeman N.C. // J. Theor. Biol. 1982. V. 99. P. 237.

10. . Yevdokimov Yu.M., Salyanov V.I., Gedig E., et al. //FEBS Lett. 1996. V. 392. P. 269.

11. Yevdokimov Yu.M., Skuridin S.G., Lortkipanidze G.B. // Liquid Cryst. 1992. V. 12. P. 1.

12. Yevdokimov Yu.M., Salyanov V.I., Zakharov M.A. // Lab on a Chip. 2001. V. 1. P 35.

13. Захаров М.. Соколовская Л.Г., Нечипуренко Ю.Д. и др. Формирование наноконструкций на основе двухцепочечных ДНК// Биофизика. 2005. Т. 50. №5 С. 824 - 832.

14. Malatesta V., Gervasini A., Morazzoni F. // Inorg. Chim. Acta. 1987. V. 136. P. 81.

15. Spielli M., Dabrowiak J.C. // Boichemistry. 1982. V. 23. P. 5862

16. Yevdokimov Yu.M., Skuridin S.G., Nechipurenko Yu. D., et al. // Internatl. J. Biol. Macromol. 2005. V. 36. P.103.

17. Захаров М.А., Нечипуренко Ю.Д., Лорткипанидзе Г.В., Евдокимов Ю.М. Термодинамическая стабильность наноконструкций, созданных на основе двухцепочечных ДНК// Биофизика. 2005. Т. 50. №6. С. 1036 - 1041.

18. Евдокимов Ю.М., Скуридин С.Г., Акименко Н.М. // Высокомолекулярные Соединения. 1984. Т. 26. C. 2403.

19. Евдокимов Ю.М. Жидкокристаллические формы ДНК и их биологическая роль// Жидкие кристаллы и их практическое использование. 2003. № 3. С. 10 - 48.

20. Yevdokimov Yu. M., Salyanov V.I. // Liq. Cryst. 2003. V. 30. P. 1057.

21. Domard A. // Internatl. J. Biol. Macromol. 1987. V. 9. P. 98.

22. Monteiro O.A.C. Arnoldi C. // J. Coll. Interface Sci. 1999. V. 212. P. 212.

23.Евдокимов Ю.М., Захаров М.А., Салянов В.И. Жидкокристаллические дисперсии двухцепочечных нуклеиновых кислот и их комплексов - основ- для наноконструирования// Кристаллография. 2006Т.51. №6. С. 1082 - 1097.

24. Inoue K., Baba Y., Yoshizuka K. // Bull. Chem. Soc. Japan. 1993. V. 66. P. 2915.

25. Rhazi M., Derbrieres J., Talaimate E., et al. // Polymer. 2002. V. 43. P. 1267.

26. http://www.nanonewsnet.ru/articles/2013/dnk-origami-kak-iz-dnk-delayut-interesnye-shtuki-nanometrovogo-razmera. / ДНК - оригами.

Размещено на Allbest.ru