Новости химической науки > практическая нанотехнология

В последнее время большой интерес исследователей вызывает создание сложных трехмерных конструкций, "строительными блоками" которых служат молекулы нуклеиновых кислот (НК). Российские ученые, предложив свой способ наноконструирования на основе двухцепочечных НК, создали оптический прибор, с помощью которого можно эффективно "работать" с частицами жидкокристаллических дисперсий ДНК.

Юрий Евдокимов, профессор, заведующий лабораторией Инсти­тута молекулярной биологии им. В.А. Энгельгардта РАН, подчеркивает, что возможность применения нуклеиновых кислот для создания наноконструкций с регулируемыми параметрами основана на свойствах, характерных только для этих молекул. Стратегия, предложенная Юрием Евдокимовым и его коллегами, позволяет создавать наноконструкции, содержащие двухцепочечные молекулы нуклеиновых кислот, и принципиально отличается от всех вариантов стратегии типа "шаг за шагом", основанных на последовательной модификации исходной молекулы двухцепочечной нуклеиновой кислоты или синтетического полинуклеотида.

Развиваемый российскими учеными подход базируется на использовании жидкокристаллических дисперсий (ЖКД).

Изменение параметров вторичной структуры молекул нуклеиновых кислот под действием химических или физических факторов будет приводить к тому, что пространственно закрученная структура может нарушаться или даже отсутствовать. Следовательно, аномальная оптическая активность, присущая холестерической жидкокристаллической дисперсии нуклеиновой кислоты, представляет собой удобный аналитический критерий, позволяющий выявлять весьма тонкие изменения в свойствах молекул нуклеиновых кислот.

В руках исследователей появляется аналитический инструмент, позволяющий следить за тончайшими изменениями не только свойств молекул НК и образованных из них холестериков, но и за изменениями свойств вводимых хромофоров. При этом при образовании частиц ЖКД химическая реакционная способность молекул нуклеиновой кислоты не меняется, что открывает возможность для направленного изменения их свойств. В целом задача сводилась к разработке оптического прибора, способного "работать" с частицами жидкокристаллических дисперсий ДНК. Такой прибор был создан Институтом молекулярной биологии им. В.А.Энгельгардта совместно с сотрудниками Института спектроскопии (г. Троицк). В 2003 г. на экпериментальном заводе РАН (г. Черноголовка) произведены первые 10 образцов дихрометра. Портативный дихрометр защищен патентами РФ, Германии, США и ряда других стран, имеет сертификат Госстандарта РФ и внесен в реестр измерительных устройств. Он был отмечен Золотой медалью выставки в Брюсселе (2001), Золотой медалью Президиума РАН (2002) и получил Гранпри на конкурсе российских инноваций (2003). Прибор в комбинации с жидкокристаллическими биодатчиками позволяет обнаруживать более 40 различных соединений (генотоксикантов), нарушающих структуру молекул НК. Таким образом, появилась возможность контролировать все манипуляции с жидкокристаллическими дисперсиями НК как в лабораторных средах, так и в плазме крови.

Биоаналитическая система - прибор СКД-2 - оказалась востребованной, что связано с ее рабочими характеристиками. Спектральная область применения для прибора - 200-750 нм, спектральное разрешение - 3 нм, программируемая температура - от 10 до 80^oC, минимальная величина кругового дихроизма - 3 x 10^-7 опт. ед., пределы обнаружения БАТС (биологически активных и токсичных соединений) - 10^-6 / 2 x 10^-14 M/л. Это означает, что можно оперативно определять наличие и концентрацию в жидкости БАТС, являющихся своего рода маркерами, характеризующими состояние организма или технологического процесса, качество сырья и готовой продукции, качество пищевых продуктов, загрязнение окружающей среды и т.д. При этом прибор очень компактен - его размеры - 550 x 330 x 170 мм, а весит он 14 кг. В эксплуатации прибора минимальное потребление электричества сочетается с немаловажным для подобной техники свойством: устройство не требует использования воды и газообразного азота для охлаждения.

Высокую оценку специалистов российская разработка получила по многим параметрам. Высокая избирательность и чувствительность измерений сочетается со стабильностью результатов. Низкая стоимость устройства (по сравнению с приборами аналогичного назначения) сочетается с мобильностью комплекса и возможностью его использования в любых условиях. Главное конкурентное преимущество заключается в возможности использования одного и того же чувствительного элемента и преобразователя сигналов для анализа широкого ряда веществ биологической природы. Также существует относительно несложный процесс разработки и производства биодатчиков для новых типов биологически активных веществ.

Биоаналитические системы могут вскоре найти широкое применение в лабораториях биохимического анализа, в медицинской клинической диагностике. Они могут использоваться для экономической проверки и для контроля качества сырья и продукции в фармацевтической, биотехнологической, пищевой промышленности, а также при проведении экспертизы товаров.

В настоящее время ведется разработка и сертификация методик определения противоопухолевых соединений антракциклинового ряда, противоопухолевые соединения антрахинонового ряда. Также идет работа над методиками определения противоопухолевых соединений платиновой (Pt-II) группы, работа в этом направлении с полиаминокислотами, полипептидами и белками, клеточными метаболами. Особые направления - методика определения биологически активных соединений-восстановителей, гербицидов, пестицидов, тяжелых металлов. Не обошли вниманием и физические факторы - лазерное и УФ-облучение. Прибор совершенствуется, и сфера его применения расширяется.

БАТ: принцип действия

Биоаналитическая система состоит из портативного дихрометра и одного или нескольких биодатчиков на основе частиц жидкокристаллической дисперсии нуклеиновых кислот, свойства которых меняются в "ответ" на присутствие в анализируемой жидкости биологически активных веществ, нарушающих генетический материал клеток.

Для измерения аномального кругового дихроизма был использован портативный полифункциональный быстродействующий спектрометр кругового дихроизма (дихрометр), специально сконструированный для решения данной задачи. Таким образом, была разработана первая модель биоаналитического комплекса, позволяющего детектировать оптический сигнал, генерируемый жидкокристаллическим биодатчиком "в ответ" на наличие в среде анализируемых соединений, т.е. была разработана аналитическая система, предназначенная для быстрого определения концентрации соединений разных химических групп.

Источник: В мире науки