Введение к работе
Актуальность проблемы: Успехи в области молекулярной биологии, физической
химии биополимеров, микроэлектроники и оптики лежат в основе формирования двух
новых направлений нанотехнологии: наномедицины и нанобиотехнологии.
Наноконструирование на основе молекул биополимеров является одним из важных
научных направлений нанотехнологии (нанобиотехнологии). Возрастающий интерес к
биологическим макромолекулам, как объектам нанотехнологии, является вполне
оправданным. В процессе эволюции биологические молекулы приобрели целый ряд таких
свойств, которые делают их крайне привлекательными для применения в нанотехнологии.
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 большого числа наноструктур. Иерархия самособирающихся
биологических структур начинается с мономеров (нуклеотидов и нуклеозидов,
аминокислот, Сахаров), которые образуют полимеры (такие как ДНК, РНК, белки,
полисахариды), затем их ансамбли (мембраны, органеллы) и, наконец, клетки, органы и
даже организмы. Следует добавить, что наноматериалы, 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 наноконструкций и возможность промышленного
получения биополимеров делает эти молекулы удобным объектом для применения в
f нанотехнологии. Поэтому использование биологических молекул для создания
искусственных наноструктур на основе принципов, предлагаемых природой, выглядит вполне естественным и является актуальной проблемой нанотехнологии.
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 позволят создавать нанобиоматериалы и наноконструкций, которые, в принципе, отсутствуют в природе.
рос нАци н
В«ВЛИОТЕКА
Большой интерес в последние годы вызывает исследование возможности построения наноконструкций с регулируемыми свойствами на основе двухцепочечных молекул нуклеиновых кислот.
Настоящая диссертация посвящена исследованию возможности создания наноконструкций на основе двухцепочечных молекул нуклеиновых кислот, фиксированных в пространственной структуре частиц их жидкокристаллических дисперсий. Стратегия этого подхода принципиально отличается от стратегии известного подхода к созданию наноструктур, основанного на последовательной модификации молекул нуклеиновых кислот.
Дель работы. Цель настоящей работы состояла в исследовании возможности создания наноконструкций на основе двухцепочечных молекул нуклеиновых кислот, фиксированных в пространственной структуре частиц холестерической жидкокристаллической дисперсии.
В основные задачи исследования входило' 1 Разработать стратегию создания наноконструкций на основе двухцепочечных
молекул нуклеиновых кислот, фиксированных в пространственной структуре
частиц холестерической жидкокристаллической дисперсии.
-
При помощи метода наноконструирования, реализуемого в водно-солевом растворе полиэтиленгликоля, содержащем жидкокристаллическую дисперсию ДНК, молекулы дауномицина и ионы меди, отработать условия формирования наноконструций, исследовать их морфологические характеристики, а также определить оптические, рентгенографические и магнитные свойства.
-
Изучить температурную стабильность наноконструкций и оценить эффективные термодинамические характеристики процесса их разрушения.
-
Предложить гипотетическую модель наноконструкций и проанализировать ее свойства.
5 Продемонстрировать возможность использования наноконструкций в качестве основы для создания интегральных биодатчиков, предназначенных для определения биологически активных соединений, "мишенью" которых являются структурные элементы наноконструкций.
Научная новизна. При выполнении настоящей работы получен ряд новых и приоритетных результатов.
-
Впервые теоретически разработана и практически реализована стратегия создания наноконструкций на основе двухцепочечных молекул нуклеиновых кислот, фиксированных в пространственной структуре частиц холестерической жидкокристаллической дисперсии.
-
При помощи атомной силовой микроскопии исследованы морфологические особенности наноконструкций Показано, что частицы наноконструкций имеют форму близкую к цилиндрической, а их средний размер составляет 0,5 мкм
3. Показано, что наноконструкция представляет собой ансамбль, состоящий из молекул нуклеиновых кислот низкой молекулярной массы (1 < 106 Да), фиксированных в пространственной структуре частиц ЖКД и сшитых наномостиками, состоящими из чередующихся молекул дауномицина и ионов меди В состав наномостика входит шесть ионов меди и пять молекул дауномицина.
4 Впервые определена стабильность наноконструкций в широком интервале условий. Установлено, что наноконструкция представляет собой стабильную структуру, существующую за пределами "граничных" условий формирования жидкокристаллической дисперсии ДНК
5. Впервые показано, что наноконструкцию можно использовать в практических целях для создания на ее основе нового типа интегральных жидкокристаллических микрочипов, предназначенных для определения разных классов биологически активных соединений, различающихся по своей природе.
Практическая ценность работы.
-
Установленные в работе факторы, определяющие эффективность образования наноконструкций, следует учитывать при создании наноконструкций на основе молекул других биополимеров, в частности, на основе комплексов двухцепочечных нуклеиновых кислот с белками и полиаминосахарами.
-
Наноконструкцию можно рассматривать в качестве модельной системы, позволяющей исследовать роль факторов и природу движущих сил, определяющих
особенности организации третичной структуры двухцепочечных молекул ДНК in vivo Это обстоятельство необходимо учитывать при формировании представления о жидкокристаллической упаковке молекул (или сегментов) ДНК не только в головках бактериофагов и хромосомах простейших, но и в хромосомах эукариот.
3 Обнаруженная в настоящей работе высокая стабильность наноконструкции на основе двухцепочечных молекул нуклеиновых кислот в сочетании с высокой концентрацией антибиотика, входящего в ее состав, открывает возможность для использования частиц наноконструкции для адресной доставки лекарственных веществ в пораженные органы и ткани.
4. "Отклик" пространственной структуры наноконструкции в ответ на действие химических агентов и физических факторов использован при конструировании интегрального жидкокристаллического микрочипа Тем самым сделаны первые практические шаги в области аналитической биотехнологии, а именно, в области создания интегральных биодатчиков на основе наноконструкции двухцепочечных нуклеиновых кислот.
Апробация работы. Результаты работы докладывались на международных и всероссийских съездах, конференциях и семинарах, в том числе, на:
7-ой школе-копференции молодых ученых (Россия, Пущино, 2003 г), V-ой международной конференции по лиотропным жидким кристаллам (Россия, Иваново, 2003 г), 8-ой и 9-ой международной школах-конференіщях молодых ученых (Россия, Пущино, 2004, 2005 г), ПТ семинаре "Нанотехнологии в онкологии" (Московский научно-исследовательский онкологический институт им. П А. Герцена, 2005 г ), ХХПІ съезде по спектроскопии (Россия, Звенигород, 2005 г.) и конференции по нанотехнологии (США, Анахайм, 2005 г.)
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 7 статей в ведущих международных и отечественных научных журналах.
Объем диссертации. Диссертация изложена на страницах, включающих
рисунков, таблиц и список цитированной литературы, содержащий ссылки.
Похожие диссертации на Наноконструкции на основе двухцепочечных молекул нуклеиновых кислот
