Адсорбция однонитевой и двунитевой ДНК на одностенных углеродных нанотрубках

Получены устойчивые водные суспензии одностенных углеродных нанотрубок (ОУНТ) в окружении однонитевой или двунитевой ДНК (он-ДНК, днДНК). Эти суспензии были исследованы методами УФ-спектроскопии поглощения и люминесценции в ближнем ИК-диапазоне. Небольшие сдвиги (до 50 см−1 ) спектральных полос в...

Full description

Saved in:

Bibliographic Details
Published in:	Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології
Date:	2008
Main Authors:	Гладченко, Г.О., Карачевцев, М.В., Гламазда, А.Ю., Валеев, В.А., Леонтьев, В.С., Карачевцев, В.А.
Format:	Article
Language:	Russian
Published:	Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України 2008
Online Access:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/76232
Tags:	Add Tag No Tags, Be the first to tag this record!
Journal Title:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Cite this:	Адсорбция однонитевой и двунитевой ДНК на одностенных углеродных нанотрубках / Г.О. Гладченко, М.В. Карачевцев, А.Ю. Гламазда, В.А. Валеев, В.С. Леонтьев, В.А. Карачевцев // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2008. — Т. 6, № 4. — С. 1237-1245. — Бібліогр.: 12 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

_version_	1859715608761860096
author	Гладченко, Г.О. Карачевцев, М.В. Гламазда, А.Ю. Валеев, В.А. Леонтьев, В.С. Карачевцев, В.А.
author_facet	Гладченко, Г.О. Карачевцев, М.В. Гламазда, А.Ю. Валеев, В.А. Леонтьев, В.С. Карачевцев, В.А.
citation_txt	Адсорбция однонитевой и двунитевой ДНК на одностенных углеродных нанотрубках / Г.О. Гладченко, М.В. Карачевцев, А.Ю. Гламазда, В.А. Валеев, В.С. Леонтьев, В.А. Карачевцев // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2008. — Т. 6, № 4. — С. 1237-1245. — Бібліогр.: 12 назв. — рос.
collection	DSpace DC
container_title	Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології
description	Получены устойчивые водные суспензии одностенных углеродных нанотрубок (ОУНТ) в окружении однонитевой или двунитевой ДНК (он-ДНК, днДНК). Эти суспензии были исследованы методами УФ-спектроскопии поглощения и люминесценции в ближнем ИК-диапазоне. Небольшие сдвиги (до 50 см−1 ) спектральных полос в спектре люминесценции полупроводниковых ОУНТ при замене окружения с он-ДНК на дн-ДНК указывают на слабое влияние структурной организации полимера на электронную структуру нанотрубок. Уменьшение гиперхромного эффекта при нагреве суспензии он НК:ОУНТ до 90°С в сравнении с несвязанной он-ДНК указывает на π-стэкинг взаимодействия азотистых оснований с поверхностью нанотрубки. Как следует из кривых плавления дн-ДНК:ОУНТ и свободной дн-ДНК, адсорбция двунитевого полимера на поверхность нанотрубки приводит к его термической стабилизации (на 2—5°С). Нагрев суспензий до 90°С и последующее охлаждение не приводит к реадсорбции полимеров с поверхности нанотрубок, что указывает на стабильность образованных гибридов. Предложена модель образования наногибрида, в которой фрагмент ДНК, состоящий из двунитевого участка и расплетенных однонитевых концов, вначале адсорбируется на нанотрубке за счет гибких концевых участков полимера, основания которого связываются с ОУНТ через πстэкинг, а затем адсорбируется и двунитевой участок. Одержано стійкі водні суспензії одностінних вуглецевих нанорурок (ОВНР) в оточенні однониткової або двониткової ДНК (он-ДНК, дн-ДНК). Ці суспензії були досліджені методами УФ-спектроскопії вбирання й люмінесценції в близькому ІЧ-діяпазоні. Невеликі зсуви (до 50 см−1 ) спект- ральних смуг у спектрі люмінесценції напівпровідникових ОВНР при заміні оточення з он-ДНК на дн-ДНК указують на слабкий вплив структурної організації полімеру на електронну структуру нанорурок. Зменшення гіперхромного ефекту при нагріванні суспензії он-ДНК:ОВНР до 90°С у порівнянні з незв’язаною он-ДНК указує на π-стекінг взаємодії азотистихоснов з поверхнею нанорурки. Як випливає з кривих топлення днДНК:ОВНР і вільної дн-ДНК, адсорбція двониткового полімеру на поверхню нанорурки призводить до його термічної стабілізації (на 2—5°С). Нагрівання суспензій до 90°С і наступне охолодження не призводить до реадсорбції полімерів з поверхні нанорурок, що вказує на стабільність утворених гібридів. Запропоновано модель утворення наногібрида, у якому фраґмент дн-ДНК, що складається з двониткової ділянки й розплетених однониткових кінців, спочатку адсорбується на нанорурці за рахунок гнучких кінцевих ділянок полімеру, основи якого зв’язуються з ОВНР через π-стекінг, а потім адсорбується й двониткова ділянка. Stable water suspensions of single-walled carbon nanotubes (SWNTs) surrounded with single- or double-stranded DNA (ss- or ds-DNA) are obtained. The suspensions are investigated by absorption UV spectroscopy and luminescence in the near IR range. Small (up to 50 cm−1 ) shifts of spectral bands in the luminescence spectrum of semiconducting SWNTs after the substitution of ssDNA with ds-DNA are evidences of a weak influence of the polymer structural organization on the electronic structure of nanotubes. The decrease of the hyperchromic effect under the ss-DNA:SWNT suspension heating up to 90°C (in comparison with the unbound ss-DNA) points to π-stacking interactions of nitrogen bases with the nanotube surface. As seen from melting curves of dsDNA:SWNT and free ds-DNA, adsorption of the double-stranded polymer to the nanotube surface results in DNA thermal stabilization (by 2—5°C). The suspension heating up to 90°C and the following cooling do not induce readsorption of polymers from the nanotube surface, evidencing the stability of the hybrids formed. A model is proposed for the formation of a nanohybrid, in which the ds-DNA fragment consisting of the double-stranded part and untwisted single-stranded ends is adsorbed first to the nanotube via flexible end sections of the polymer, the bases of which bound to SWNT through π-stacking, and then the double-stranded part is adsorbed too.
first_indexed	2025-12-01T08:00:00Z
format	Article
fulltext	1237 PACS numbers: 78.40.Ri, 78.67.Ch, 81.05.ub, 81.07.De, 81.07.Pr, 82.65.+r, 87.14.gk Адсорбция однонитевой и двунитевой ДНК на одностенных углеродных нанотрубках Г. О. Гладченко, М. В. Карачевцев, А. Ю. Гламазда, В. А. Валеев, В. С. Леонтьев, В. А. Карачевцев Физико-технический институт низких температур НАН Украины, просп. Ленина, 47, 61103 Харьков, Украина Получены устойчивые водные суспензии одностенных углеродных нанот- рубок (ОУНТ) в окружении однонитевой или двунитевой ДНК (он-ДНК, дн- ДНК). Эти суспензии были исследованы методами УФ-спектроскопии по- глощения и люминесценции в ближнем ИК-диапазоне. Небольшие сдвиги (до 50 см −1) спектральных полос в спектре люминесценции полупроводни- ковых ОУНТ при замене окружения с он-ДНК на дн-ДНК указывают на слабое влияние структурной организации полимера на электронную струк- туру нанотрубок. Уменьшение гиперхромного эффекта при нагреве суспен- зии он-ДНК:ОУНТ до 90°С в сравнении с несвязанной он-ДНК указывает на π-стэкинг взаимодействия азотистых оснований с поверхностью нанотруб- ки. Как следует из кривых плавления дн-ДНК:ОУНТ и свободной дн-ДНК, адсорбция двунитевого полимера на поверхность нанотрубки приводит к его термической стабилизации (на 2—5°С). Нагрев суспензий до 90°С и по- следующее охлаждение не приводит к реадсорбции полимеров с поверхно- сти нанотрубок, что указывает на стабильность образованных гибридов. Предложена модель образования наногибрида, в которой фрагмент дн- ДНК, состоящий из двунитевого участка и расплетенных однонитевых концов, вначале адсорбируется на нанотрубке за счет гибких концевых участков полимера, основания которого связываются с ОУНТ через π- стэкинг, а затем адсорбируется и двунитевой участок. Одержано стійкі водні суспензії одностінних вуглецевих нанорурок (ОВНР) в оточенні однониткової або двониткової ДНК (он-ДНК, дн-ДНК). Ці суспензії були досліджені методами УФ-спектроскопії вбирання й лю- мінесценції в близькому ІЧ-діяпазоні. Невеликі зсуви (до 50 см −1) спект- ральних смуг у спектрі люмінесценції напівпровідникових ОВНР при за- міні оточення з он-ДНК на дн-ДНК указують на слабкий вплив структур- ної організації полімеру на електронну структуру нанорурок. Зменшення гіперхромного ефекту при нагріванні суспензії он-ДНК:ОВНР до 90°С у порівнянні з незв’язаною он-ДНК указує на π-стекінг взаємодії азотистих Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології Nanosystems, Nanomaterials, Nanotechnologies 2008, т. 6, № 4, сс. 1237—1245 © 2008 ІМФ (Інститут металофізики ім. Г. В. Курдюмова НАН України) Надруковано в Україні. Фотокопіювання дозволено тільки відповідно до ліцензії 1238 Г. О. ГЛАДЧЕНКО, М. В. КАРАЧЕВЦЕВ, А. Ю. ГЛАМАЗДА и др. основ з поверхнею нанорурки. Як випливає з кривих топлення дн- ДНК:ОВНР і вільної дн-ДНК, адсорбція двониткового полімеру на повер- хню нанорурки призводить до його термічної стабілізації (на 2—5°С). На- грівання суспензій до 90°С і наступне охолодження не призводить до реа- дсорбції полімерів з поверхні нанорурок, що вказує на стабільність утво- рених гібридів. Запропоновано модель утворення наногібрида, у якому фраґмент дн-ДНК, що складається з двониткової ділянки й розплетених однониткових кінців, спочатку адсорбується на нанорурці за рахунок гнучких кінцевих ділянок полімеру, основи якого зв’язуються з ОВНР через π-стекінг, а потім адсорбується й двониткова ділянка. Stable water suspensions of single-walled carbon nanotubes (SWNTs) sur- rounded with single- or double-stranded DNA (ss- or ds-DNA) are obtained. The suspensions are investigated by absorption UV spectroscopy and lumines- cence in the near IR range. Small (up to 50 cm −1) shifts of spectral bands in the luminescence spectrum of semiconducting SWNTs after the substitution of ss- DNA with ds-DNA are evidences of a weak influence of the polymer structural organization on the electronic structure of nanotubes. The decrease of the hy- perchromic effect under the ss-DNA:SWNT suspension heating up to 90°C (in comparison with the unbound ss-DNA) points to π-stacking interactions of ni- trogen bases with the nanotube surface. As seen from melting curves of ds- DNA:SWNT and free ds-DNA, adsorption of the double-stranded polymer to the nanotube surface results in DNA thermal stabilization (by 2—5°C). The sus- pension heating up to 90°C and the following cooling do not induce readsorp- tion of polymers from the nanotube surface, evidencing the stability of the hy- brids formed. A model is proposed for the formation of a nanohybrid, in which the ds-DNA fragment consisting of the double-stranded part and untwisted single-stranded ends is adsorbed first to the nanotube via flexible end sections of the polymer, the bases of which bound to SWNT through π-stacking, and then the double-stranded part is adsorbed too. Ключевые слова: углеродные одностенные нанотрубки, ДНК, бионано- гибрид, люминесценция, УФ-спектроскопия. (Получено 22 ноября 2007 г.) 1. ВВЕДЕНИЕ Одностенные углеродные нанотрубки (ОУНТ) представляют собой новый класс материалов, обладающих уникальными свойствами и большим потенциальными возможностями нанотехнологий [1]. В последние годы появился значительный интерес к использованию этого наноматериала в биологии и медицине [2, 3]. Уникальные фи- зические свойства нанотрубок в сочетании с распознающими спо- собностями биомолекул могут привести к созданию миниатюрных биологических устройств [4]. Выявление специфических одноните- вых последовательностей в составе генома через гибридизацию с комплементарной ДНК-пробой, расположенной на нанотрубке, АДСОРБЦИЯ ОДНОНИТЕВОЙ И ДВУНИТЕВОЙ ДНК НА НАНОТРУБКАХ 1239 может быть одним из применений этого наноматериала в медицине при диагностике патогенных и генетических заболеваний [5]. Первый шаг на пути создания основанных на ДНК бионанотехно- логий является присоединение молекулы нуклеиновой кислоты к поверхности нанотрубки. Нековалентная функционализация ОУНТ позволяет решить проблему биосовместимости нанотрубок при со- хранении их электронных свойств. Недавно было показано, что ко- роткие фрагменты (не более 50 оснований) однонитевой (он-)ДНК [6] являются одним из наиболее эффективных полимеров для некова- лентной функционализации нанотрубок. Стабильные гомогенные водные дисперсии отдельных ОУНТ удалось получить с помощью ультразвуковой обработки водных смесей углеродных нанотрубок и он-ДНК. Как было показано с помощью теоретического моделирова- ния [6] он-ДНК взаимодействует с гидрофобной поверхностью ОУНТ через π-стэкинг с гидрофобными азотистыми основаниями, а гидро- фильный сахаро-фосфатный остов при этом направлен к воде, что делает образованный гибрид в целом гидрофильным. Такая избира- тельная особенность отдельных фрагментов ДНК взаимодействовать с ОУНТ, а также спиралевидная структура самого полимера приво- дит к его навиванию на нанотрубку. Гибриды ОУНТ с двунитевой (дн-) ДНК практически ранее не изучались. Наши предварительные исследования показали, что гибриды дн-ДНК:ОУНТ могут образо- вываться в воде [7] и являются довольно стабильными. Настоящая работа посвящена детальному спектральному иссле- дованию водных суспензий он-ДНК, дн-ДНК с ОУНТ и сравнению их свойств со свободным полимером методами УФ-спектроскопии поглощения и люминесценции в ближнем ИК-диапазоне. Получен- ные результаты позволили предложить возможную модель взаимо- действия дн-ДНК с ОУНТ. 2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ Углеродные нанотрубки, полученные химическим методом (метод CVD), очищались путем обработки соляной кислотой и последую- щим термическим окислением на воздухе. Наши оценки чистоты нанотрубочного материала давали в результате 98—99% степень чистоты ВОНТ. В качестве полимера бралась нативная ДНК, извлеченная из эритроцитов цыпленка (Reanal, Hungary) с молекулярным весом 107 Da. Полимер растворялся в какодилатном буфере (0,01 М Na+, pH7) (Serva, Germany) с 2⋅10−4 М Na2EDTA (Sigma, USA). Однонитевой полимер получался путем нагрева нативного по- лимера до 90°С и его быстрого охлаждения. Водные суспензии нанотрубок получали при воздействии ультра- звука (УЗДН-1, Украина, частота 44 кГц, мощность 1 Вт) на взвесь 1240 Г. О. ГЛАДЧЕНКО, М. В. КАРАЧЕВЦЕВ, А. Ю. ГЛАМАЗДА и др. ОУНТ с полимером в течение 40 минут. Весовое соотношение поли- мер:ОУНТ выбиралось как 1:1. Загрузочный вес нанотрубок для приготовления одного образца составлял около 100 мкг. Нерасщеп- ленные жгуты нанотрубок удалялись посредством ультрацентри- фугирования (120 000 g, Superspeed-65, MSE, GB) в течение 1 часа. С помощью электрофореза была определена средняя длина двуни- тевого полимера, которая составила 200—300 пар оснований. Кроме того, было установлено, что фрагмент дн-ДНК имеет как двуните- вой участок, так и однонитевые части, которые образовались в ре- зультате ультразвукового воздействия и, скорее всего, находящие- ся на концах фрагмента [7]. Температурные зависимости оптического поглощения ДНК (кри- вые плавления) измерялись с помощью автоматизированного УФ- спектрометра (М-40, Сarl Zeiss, Yena, Германия) по дифференциаль- ной двулучевой схеме с двумя кюветами. Температура растворов ме- нялась в диапазоне 10—100°С и стабилизировалась с точностью до 0,1°С. Люминесценция полупроводниковых ОУНТ выделялась посред- ством двойного монохроматора ДФС-12 (ЛОМО, Россия) (9000— 12000 см −1) и детектировалась с помощью охлаждаемого ФЕУ-83 при возбуждении диодным лазером с длиной волны генерации 532 нм. 3. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ Люминесценция нанотрубок. Как известно [8], 2/3 ОУНТ обладают полупроводниковыми свойствами и, как было недавно установлено [9], они могут люминесцировать в ближнем ИК-диапазоне. Нами бы- ла изучена высокоэнергетическая часть спектра излучения водных суспензий он-ДНК:ОУНТ и дн-ДНК:ОУНТ в диапазоне 9000—12000 см−1 при возбуждении диодным лазером с λ = 532 нм (рис. 1). В спек- тре наблюдается 6 полос, каждая из которых соответствует свечению полупроводниковых нанотрубок определенного диаметра. Свечение нанотрубок соответствует электронным переходам Е 11 между ни- жайшими пиками плотности состояний (сингулярности Ван-Хоффа) в валентной зоне и зоне проводимости (ширина запрещенной зоны). Возбуждение лазером выполнялось в полосу перехода Е 22 , который осуществляется между вторыми пиками сингулярностей Ван-Хоф- фа. Возбуждение затем безызлучательно релаксировало в более низ- кое по энергии состояние, с которого и высвечивало. Как видно из рисунка, оба спектра нанотрубок в окружении разных полимеров имеют сходство. Каждый из спектров был аппроксимирован суммой лоренцианов, которые показаны на рисунке штриховыми линиями. Ширина отдельных полос не превышала 340 см −1. Для водной сус- пензии дн-ДНК:ОУНТ отмечается небольшой спектральный сдвиг в красную область до 50 см −1, по сравнению с соответствующими поло- АДСОРБЦИЯ ОДНОНИТЕВОЙ И ДВУНИТЕВОЙ ДНК НА НАНОТРУБКАХ 1241 сами суспензии с он-ДНК:ОУНТ. Сдвиги полос в спектрах люминесценции водных суспензий нанот- рубок при варьировании внешнего окружения, в основном, связыва- ют с изменением степени покрытия поверхности нанотрубок полиме- ром или поверхностно-активным веществом [10]. При уменьшении покрытия поверхности нанотрубок полимером возрастает их поверх- ностный контакт с водой и величина перехода Е 11 уменьшается, а по- лосы люминесценции, соответственно, сдвигаются в более низко- энергетическую область. Кроме сдвига полос в красную область, па- дает общая интенсивность свечения [7], что связывается с уменьше- нием количества нанотрубок в суспензии, хотя загрузочные весовые соотношения полимера и нанотрубок были примерно одинаковыми для исследуемых двух полимеров. Это указывает на то, что эффек- тивность удержания нанотрубок в воде фрагментированной двойной ДНК ниже в сравнении с однонитевым полимером. Изменение люми- несцентных свойств полупроводниковых нанотрубок при замене он- ДНК на дн-ДНК указывает на то, что взаимодействие этих полимеров с нанотрубкой различное, а, следовательно, может быть и различной модель гибрида. УФ-спектроскопия поглощения ДНК, адсорбированной на ОУНТ. При исследовании гибридов, образованных углеродными нанотруб- ками с различными синтезированными короткими олигонуклеоти- дами, внимание исследователей в основном было сосредоточено на изучении свойств нанотрубок. Какие-либо выводы о гибриде дела- Рис. 1. Высокоэнергетическая часть спектра излучения водных суспензий он-ДНК:ОУНТ (а) и дн-ДНК:ОУНТ (б), полученных при возбуждении ди- одным лазером с λ = 532 нм. Штрихованными линиями показаны лорен- цианы, с помощью суммы которых были аппроксимированы оба спектра. 1242 Г. О. ГЛАДЧЕНКО, М. В. КАРАЧЕВЦЕВ, А. Ю. ГЛАМАЗДА и др. лись на основании полученной информации о нанотрубках. В отли- чие от такого направления исследований, мы предприняли изучение свойств непосредственно биополимера, адсорбированного на поверх- ности нанотрубки. С этой целью были выполнены исследования спек- тров поглощения водных суспензий гибридов он-ДНК:ОУНТ и дн- ДНК:ОУНТ в УФ-спектральном диапазоне, которые сравнивались со спектрами свободных полимеров. В диапазоне 200—400 нм, кроме по- лос поглощения биополимеров, наблюдается и поглощение нанотру- бок. Применение дифференциальной методики спектров поглощения позволило нам исключить из рассмотрения спектр поглощения на- нотрубок. Мы также в наших исследованиях применили методику нагрева ДНК до 90°С, контролируя при этом изменение поглощения света в полосе поглощения самого полимера. Поглощение на 260— 280 нм обусловлено поглощением света азотистыми основаниями. На рисунке 2, а показано возрастание поглощения света с ростом темпе- ратуры для свободного однонитевого полимера (кривая 1) и для он- ДНК, адсорбированного на нанотрубку (кривая 2). Рост поглощения света объясняется структурным разупорядочением он-ДНК при на- греве, при котором разрушается частичное стэкинг-упорядочение азотистых оснований, наблюдаемое при комнатной температуре [11]. Отметим, что прирост поглощения с ростом температуры меньше для суспензии он-ДНК:ОУНТ. Этот экспериментальный факт может быть объяснен образованием гибрида во время ультразвукового воздейст- вия, при котором происходит формирование π-стэкинга азотистых оснований с поверхностью нанотрубки. На этом же рисунке показан обратный ход кривой поглощения света, регистрируемый при охла- ждении растворов. Процесс охлаждения в наших условиях был мед- ленным и занимал более 4 часов. Как следует из этих зависимостей, в течение охлаждения полимер в обоих случаях восстанавливал полно- стью свои оптические характеристики. Отметим также, что в резуль- тате термического циклирования он-ДНК не покидает нанотрубку, что указывает на довольно сильное взаимодействие между ними. Нами было также исследовано подобное температурное воздейст- вие на другую пару образцов: дн-ДНК и дн-ДНК:ОУНТ (рис. 2, б). В отличие от однонитевых полимеров прирост поглощения света с по- вышением температуры двунитевой ДНК имеет характерную S- форму в диапазоне 70—80°С, связанную с гиперхромным эффектом. Этот эффект обусловлен разъединением двух нитей полимера за счет кооперативного разрыва водородных связей между основаниями противоположных нитей при нагреве. Такая зависимость поглоще- ния света полимером от температуры получила название кривой плавления ДНК, а температура, соответствующая половине прирос- та поглощения (Тм), называется температурой плавления ДНК. Ад- сорбция полимера на нанотрубку приводит к возрастанию его терми- ческой стабильности. При ионной силе 10−1 MNa+ величина термо- стабилизации полимера (δТ = Т − Тм) составила 2°С. С уменьшением АДСОРБЦИЯ ОДНОНИТЕВОЙ И ДВУНИТЕВОЙ ДНК НА НАНОТРУБКАХ 1243 ионной силы величины ∆Т возрастает: при 10−2 MNa+ эта величина равна 6°С. Плавная зависимость кривой поглощения света при ох- лаждении раствора и возврат к начальным значениям поглощения указывает на восстановление двойного полимера как свободного, так и адсорбированного на нанотрубку. Как и для однонитевого полиме- ра, фрагментированная двунитевая ДНК не покидает нанотрубку при термическом воздействии, что свидетельствует и в этом случае о сильной связи между полимером и нанотрубкой. Отметим также, что для кривой плавления свободной дн-ДНК характерен выход на на- сыщение при температуре выше 80°С, в тоже время это не наблюда- ется для ДНК, адсорбированной на нанотрубку, что является допол- нительным аргументом в пользу термостабилизации полимера. Модель адсорбции полимера на поверхности нанотрубки. С помо- щью AMBER силового поля мы выполнили компьютерное моделиро- вание наногибридов, образованных нанотрубкой и навитыми вокруг нее однонитевой и двунитевой ДНК. Углеродная нанотрубка имела индексы хиральности (16,0) (зигзаг), длину 14,2 нм и 1,3 нм в диа- метре. В качестве однонитевого полимера была сконструирована 35- нуклеотидная последовательность АТГЦ. При оптимизации струк- туры учитывалась вода (700 молекул) и ионы Na+ для нейтрализации заряда полимера. Анализ оптимизированной структуры показал, что при расположении витка полимера под углом примерно в 45° к оси нанотрубки (величина угла была определена с помощью спектроско- пии кругового дихроизма [12]) менее половины азотистых оснований находятся в стэкинге с поверхностью нанотрубки (рис. 3, верх). Ос- тальные основания расположены под некоторыми углами к поверх- ности нанотрубки. Скорее всего, это связано с тем, что чередующие а б Рис. 2. Зависимости поглощения света (длина волны 260 нм) водных рас- творов: а – он-ДНК (1) и он-ДНК:ОУНТ (2) и б – дн-ДНК (1) и дн- ДНК:ОУНТ (2) от температуры. Стрелками показано направление темпе- ратурного хода. Кривые 1 и 2 соответствуют нагреванию, а 1′ и 2′ – охла- ждению растворов. 1244 Г. О. ГЛАДЧЕНКО, М. В. КАРАЧЕВЦЕВ, А. Ю. ГЛАМАЗДА и др. пуриновые и пиримидиновые основания из-за стерических условий не могут все расположиться плоскостями параллельно к поверхности нанотрубки в стэкинге, при условии, что они соединены с фосфат- ным остовом через довольно короткий циклический молекулярный фрагмент (молекула сахара). Для двунитевого полимера азотистые основания вообще не обра- зуют стэкинговой структуры с поверхностью нанотрубки. Это следо- вало предполагать, поскольку сшивка двух однонитевых полимеров в двойную спираль приводит к образованию водородных связей меж- Рис. 3. Модель наногибридов, образованных нанотрубкой (16,0) с навиты- ми вокруг нее: однонитевой (верх) ДНК (35-нуклеотидная последователь- ность АТГЦ…) и двунитевой ДНК. На вставке в верхней части рисунка по- казано расположение нуклеотида относительно поверхности нанотрубки, стрелка с PO3 − показывает расположение фосфатной группы. АДСОРБЦИЯ ОДНОНИТЕВОЙ И ДВУНИТЕВОЙ ДНК НА НАНОТРУБКАХ 1245 ду основаниями этих нитей, и как результат, расположение этих гидрофобных оснований внутри полимера с образованием стопочной упаковки между ними. Из общих соображений следует, что такая структура не способствует образованию π-стэкинга азотистых осно- ваний с поверхностью нанотрубки, как это происходит с одноните- вым полимером. По всей видимости, реализуется другая ситуация. В качестве модели для дн-ДНК—ОУНТ гибрида можно предполо- жить, что молекула фрагментированной ДНК своими денатуриро- ванными однонитевыми участками (рис. 3, снизу) вначале образует связи с поверхностью нанотрубки благодаря нековалентным взаи- модействиям (гидрофобные силы, π-стэкинг и др.). Однонитевые участки обладают большой гибкостью при вращении вокруг связей сахаро-фосфатного остова, что позволяет им находить низкоэнерге- тические состояния с максимальным взаимодействием с поверхно- стью ОУНТ. Эти участки служат своего рода «якорем», удержи- вающим двунитевые ДНК вблизи нанотрубки. Затем силы электро- статического изображения (фосфатный остов отрицательно заря- жен) приводят к дальнейшей стабилизации комплекса, располагая ДНК на минимальном расстоянии от поверхности нанотрубки. Исследования были выполнены при частичной финансовой под- держке в рамках программы НАН Украины «Наноструктурні сис- теми, наноматеріали, нанотехнології» (грант 106/07-Н). ЦИТИРОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА 1. A. Guiseppi-Elie, Ch. Lei, and R. H. Baughman, Nanotechnology, 13: 559 (2002). 2. Nanomaterials for Biosensors (Ed. C. Kumar) (Wiley-VCH Verlag GmbH&Co/KGaA: 2007). 3. G. Gruner, Anal. Bioanal. Chem., 384: 322 (2006). 4. K. Besteman, J. O. Lee, F. G. Wiertz, H. A. Heering, and C. Dekker, Nano Lett., 3: 727 (2003). 5. R. J. Chen and Y. Zhang, J. Phys. Chem. B, 110: 54 (2006). 6. M. Zheng, A. Jagota, E. Semke, B. Diner, R. Mclean, S. Lustig, R. E. Richard- son, and N. G. Tassi, Nature Materials, 2: 338 (2003). 7. G. O. Gladchenko, M. V. Karachevtsev, V. S. Leontiev, V. A. Valeev, A. Yu. Glamazda, А. М. Plokchotnichenko, and S. G. Stepanian, Molec. Physics, 104, No. 20—21: 3193 (2006). 8. M. S. Dresselhaus and P. C. Eklund, Adv. Phys., 49: 705 (2000). 9. M. J. O’Connell, S. M. Bachilo, C. B. Huffman,V. C. Moore, M. S. Strano, E. H. Haroz, K. L. Rialon, P. J. Boul, W. H. Noon, C. Kittrell, J. Ma, R. H. Hauge, R. B. Weisman, and R. E. Smalley, Science, 297: 593 (2002). 10. M. S. Strano, M. Zheng, A. Jagota, G. B. Onoa, D. A. Heller, P. W. Barone, and M. L. Usrey, Nano Letters, 4: 543 (2004). 11. W. Saenger, Principles of Nucleic Acid Structure (New York: Springer—Verlag: 1984), p. 458. 12. J. Rajendra and A. Rodger, Chem. Eur. J., 11: 4841 (2005).
id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-76232
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
issn	1816-5230
language	Russian
last_indexed	2025-12-01T08:00:00Z
publishDate	2008
publisher	Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України
record_format	dspace
spelling	Гладченко, Г.О. Карачевцев, М.В. Гламазда, А.Ю. Валеев, В.А. Леонтьев, В.С. Карачевцев, В.А. 2015-02-08T21:01:35Z 2015-02-08T21:01:35Z 2008 Адсорбция однонитевой и двунитевой ДНК на одностенных углеродных нанотрубках / Г.О. Гладченко, М.В. Карачевцев, А.Ю. Гламазда, В.А. Валеев, В.С. Леонтьев, В.А. Карачевцев // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2008. — Т. 6, № 4. — С. 1237-1245. — Бібліогр.: 12 назв. — рос. 1816-5230 PACS numbers: 78.40.Ri,78.67.Ch,81.05.ub,81.07.De,81.07.Pr,82.65.+r,87.14.gk https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/76232 Получены устойчивые водные суспензии одностенных углеродных нанотрубок (ОУНТ) в окружении однонитевой или двунитевой ДНК (он-ДНК, днДНК). Эти суспензии были исследованы методами УФ-спектроскопии поглощения и люминесценции в ближнем ИК-диапазоне. Небольшие сдвиги (до 50 см−1 ) спектральных полос в спектре люминесценции полупроводниковых ОУНТ при замене окружения с он-ДНК на дн-ДНК указывают на слабое влияние структурной организации полимера на электронную структуру нанотрубок. Уменьшение гиперхромного эффекта при нагреве суспензии он НК:ОУНТ до 90°С в сравнении с несвязанной он-ДНК указывает на π-стэкинг взаимодействия азотистых оснований с поверхностью нанотрубки. Как следует из кривых плавления дн-ДНК:ОУНТ и свободной дн-ДНК, адсорбция двунитевого полимера на поверхность нанотрубки приводит к его термической стабилизации (на 2—5°С). Нагрев суспензий до 90°С и последующее охлаждение не приводит к реадсорбции полимеров с поверхности нанотрубок, что указывает на стабильность образованных гибридов. Предложена модель образования наногибрида, в которой фрагмент ДНК, состоящий из двунитевого участка и расплетенных однонитевых концов, вначале адсорбируется на нанотрубке за счет гибких концевых участков полимера, основания которого связываются с ОУНТ через πстэкинг, а затем адсорбируется и двунитевой участок. Одержано стійкі водні суспензії одностінних вуглецевих нанорурок (ОВНР) в оточенні однониткової або двониткової ДНК (он-ДНК, дн-ДНК). Ці суспензії були досліджені методами УФ-спектроскопії вбирання й люмінесценції в близькому ІЧ-діяпазоні. Невеликі зсуви (до 50 см−1 ) спект- ральних смуг у спектрі люмінесценції напівпровідникових ОВНР при заміні оточення з он-ДНК на дн-ДНК указують на слабкий вплив структурної організації полімеру на електронну структуру нанорурок. Зменшення гіперхромного ефекту при нагріванні суспензії он-ДНК:ОВНР до 90°С у порівнянні з незв’язаною он-ДНК указує на π-стекінг взаємодії азотистихоснов з поверхнею нанорурки. Як випливає з кривих топлення днДНК:ОВНР і вільної дн-ДНК, адсорбція двониткового полімеру на поверхню нанорурки призводить до його термічної стабілізації (на 2—5°С). Нагрівання суспензій до 90°С і наступне охолодження не призводить до реадсорбції полімерів з поверхні нанорурок, що вказує на стабільність утворених гібридів. Запропоновано модель утворення наногібрида, у якому фраґмент дн-ДНК, що складається з двониткової ділянки й розплетених однониткових кінців, спочатку адсорбується на нанорурці за рахунок гнучких кінцевих ділянок полімеру, основи якого зв’язуються з ОВНР через π-стекінг, а потім адсорбується й двониткова ділянка. Stable water suspensions of single-walled carbon nanotubes (SWNTs) surrounded with single- or double-stranded DNA (ss- or ds-DNA) are obtained. The suspensions are investigated by absorption UV spectroscopy and luminescence in the near IR range. Small (up to 50 cm−1 ) shifts of spectral bands in the luminescence spectrum of semiconducting SWNTs after the substitution of ssDNA with ds-DNA are evidences of a weak influence of the polymer structural organization on the electronic structure of nanotubes. The decrease of the hyperchromic effect under the ss-DNA:SWNT suspension heating up to 90°C (in comparison with the unbound ss-DNA) points to π-stacking interactions of nitrogen bases with the nanotube surface. As seen from melting curves of dsDNA:SWNT and free ds-DNA, adsorption of the double-stranded polymer to the nanotube surface results in DNA thermal stabilization (by 2—5°C). The suspension heating up to 90°C and the following cooling do not induce readsorption of polymers from the nanotube surface, evidencing the stability of the hybrids formed. A model is proposed for the formation of a nanohybrid, in which the ds-DNA fragment consisting of the double-stranded part and untwisted single-stranded ends is adsorbed first to the nanotube via flexible end sections of the polymer, the bases of which bound to SWNT through π-stacking, and then the double-stranded part is adsorbed too. Исследования были выполнены при частичной финансовой поддержке в рамках программы НАН Украины «Наноструктурні системи, наноматеріали, нанотехнології» (грант 106/07-Н). ru Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології Адсорбция однонитевой и двунитевой ДНК на одностенных углеродных нанотрубках Adsorption of Single- and Double-Stranded DNA on Single-Walled Carbon Nanotubes Article published earlier
spellingShingle	Адсорбция однонитевой и двунитевой ДНК на одностенных углеродных нанотрубках Гладченко, Г.О. Карачевцев, М.В. Гламазда, А.Ю. Валеев, В.А. Леонтьев, В.С. Карачевцев, В.А.
title	Адсорбция однонитевой и двунитевой ДНК на одностенных углеродных нанотрубках
title_alt	Adsorption of Single- and Double-Stranded DNA on Single-Walled Carbon Nanotubes
title_full	Адсорбция однонитевой и двунитевой ДНК на одностенных углеродных нанотрубках
title_fullStr	Адсорбция однонитевой и двунитевой ДНК на одностенных углеродных нанотрубках
title_full_unstemmed	Адсорбция однонитевой и двунитевой ДНК на одностенных углеродных нанотрубках
title_short	Адсорбция однонитевой и двунитевой ДНК на одностенных углеродных нанотрубках
title_sort	адсорбция однонитевой и двунитевой днк на одностенных углеродных нанотрубках
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/76232
work_keys_str_mv	AT gladčenkogo adsorbciâodnonitevoiidvunitevoidnknaodnostennyhuglerodnyhnanotrubkah AT karačevcevmv adsorbciâodnonitevoiidvunitevoidnknaodnostennyhuglerodnyhnanotrubkah AT glamazdaaû adsorbciâodnonitevoiidvunitevoidnknaodnostennyhuglerodnyhnanotrubkah AT valeevva adsorbciâodnonitevoiidvunitevoidnknaodnostennyhuglerodnyhnanotrubkah AT leontʹevvs adsorbciâodnonitevoiidvunitevoidnknaodnostennyhuglerodnyhnanotrubkah AT karačevcevva adsorbciâodnonitevoiidvunitevoidnknaodnostennyhuglerodnyhnanotrubkah AT gladčenkogo adsorptionofsingleanddoublestrandeddnaonsinglewalledcarbonnanotubes AT karačevcevmv adsorptionofsingleanddoublestrandeddnaonsinglewalledcarbonnanotubes AT glamazdaaû adsorptionofsingleanddoublestrandeddnaonsinglewalledcarbonnanotubes AT valeevva adsorptionofsingleanddoublestrandeddnaonsinglewalledcarbonnanotubes AT leontʹevvs adsorptionofsingleanddoublestrandeddnaonsinglewalledcarbonnanotubes AT karačevcevva adsorptionofsingleanddoublestrandeddnaonsinglewalledcarbonnanotubes

Адсорбция однонитевой и двунитевой ДНК на одностенных углеродных нанотрубках

Institution

Similar Items