VII Съезд биофизиков России
Краснодар, Россия
17-23 апреля 2023 г. |
Программа СъездаСекции и тезисы:
Молекулярная биофизика. Структура и динамика биополимеров и биомакромолекулярных системИсследование взаимодействия излучения Nd:YAG лазера с белковыми растворамиЕ.И. Нагаев1*, Р.М. Саримов1, Т.А. Матвеева1, А.В. Симакин1, И.В. Баймлер1 1.Институт общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наук» ИОФ РАН; * nagaev_e(at)kapella.gpi.ru Воздействие лазерного излучения на свойства белковых растворов является актуальной задачей, так как в последние десятилетия лазеры нашли широкое применение в медицине, в частности, в хирургии. Использование лазеров в качестве лазерного скальпеля позволяет уменьшить последствия, связанные с использованием обычных стальных скальпелей. При использовании лазеров в тканях может происходить абляция, коагуляция, соединение тканей, разрушение тканей посредством образования ударных волн. Исследование влияния оптического пробоя на свойства белков поможет в разработке новых лечебных методик, способных улучшить характеристики уже существующего медицинского оборудования.
В данной работе исследуется влияние оптического пробоя на свойства белковых растворов. В качестве модельных белков были использованы бычий сывороточный альбумин (BSA) и лизоцим, полученный из куриных яиц (HEWL). Явление оптического пробоя в растворах белка практически не изучено, в то время как есть много примеров исследований с металлами и их наночастицами [1]. Образующиеся за счет коротких лазерных импульсов пробои способствуют образованию субмикронных и наночастиц, а также их дальнейшему фрагментированию из исходных частиц микронного размера [2]. Водные растворы белков облучали на установке, подробно описанной в [3]. Использовали наносекундный Nd:YAG лазер с генерацией второй гармоники (λ=532 нм). Растворы облучали в течение 30 мин. После экспериментов по облучению растворы исследовали оптическими методами (абсорбционная спектроскопия, рефрактометрия, флуоресцентная спектроскопия, рефрактометрия и рамановская спектроскопия). Результаты показали, что во время экспериментов с белками образовывались акустические волны и плазма. После облучения уменьшалось поглощение белковых растворов в спектральном диапазоне, соответствующему аминокислотным остаткам. В экспериментах по динамическому рассеянию света (ДРС) показано, что пик, соответствующий белковым молекулам, уменьшается, а пики, соответствующие крупным агрегатам (>100 нм), растут. Рамановская спектроскопия показала, что имеет место уменьшение интенсивности на длине волны 1570 см-1, что может говорить о возможной деградации α-спирали. Не было зарегистрировано существенных изменений в показателях преломления и форме флуоресцентных карт. Однако, после облучения раствора лизоцима наблюдалось существенное уменьшение пика связанного с флуорисценцией аминокислот и наблюдался дополнительный пик флуоресценции на длине волны возбуждения 350 нм и 434 нм. Ранее исследователи связывали этот пик с образованием амилоидных фибрилл [4]. Однако дальнейшие исследования с использованием тиофлавина-Т и спектроскопии кругового дихроизма не показали присутствие амилоидных фибрилл. Таким образом, можно сделать предположение, что в обоих исследуемых образцах имела место частичная денатурация белков и агрегация белков. [1] Dolgaev S. I. et al. Nanoparticles produced by laser ablation of solids in liquid environment //Applied surface science. – 2002. – Т. 186. – №. 1-4. – С. 546-551. [2] Hajiesmaeilbaigi F. et al. Preparation of silver nanoparticles by laser ablation and fragmentation in pure water //Laser Physics Letters. – 2005. – Т. 3. – №. 5. – С. 252. [3] Nagaev E. I. et al. Effect of Laser-Induced Optical Breakdown on the Structure of Bsa Molecules in Aqueous Solutions: An Optical Study //Molecules. – 2022. – Т. 27. – №. 19. – С. 6752. [4] Jesus C. S. H. et al. Using amyloid autofluorescence as a biomarker for lysozyme aggregation inhibition //Analyst. – 2021. – Т. 146. – №. 7. – С. 2383-2391. Investigation of Nd:YAG laser radiation interaction with protein solutionsE.I. Nagaev1*, R.M. Sarimov1, T.A. Matveeva1, A.V. Simakin1, I.V. Baimler1 1.Prokhorov General Physics Institute of the Russian Academy of Sciences; * nagaev_e(at)kapella.gpi.ru The effect of laser radiation on the properties of protein solutions is an urgent task since in recent decades lasers have found wide applications in medicine, particularly in surgery. The use of lasers as laser scalpels reduces the consequences associated with the use of conventional steel scalpels. When using lasers in tissues, ablation, coagulation, a connection of tissues, and destruction of tissues through the formation of shock waves can occur. The study of the effect of optical breakdown on the properties of proteins will help develop new therapeutic techniques that can improve the characteristics of existing medical equipment.
This paper investigates the effect of optical breakdown on the properties of protein solutions. Bovine serum albumin (BSA) and Henn egg white lysozyme (HEWL) were used as model proteins. The phenomenon of optical breakdown in protein solutions has not been practically studied, while there are many examples of studies with metals and their nanoparticles [1]. The breakdowns formed due to short laser pulses contribute to the formation of submicron and nanoparticles and their further fragmentation from the initial micron-sized particles [2]. Aqueous solutions of proteins were irradiated at the facility described in detail in [3]. A nanosecond Nd:YAG laser with second harmonic generation (λ=532 nm) was used. The solutions were irradiated for 30 minutes. After irradiation experiments, the solutions were examined by optical methods (absorption spectroscopy, refractometry, fluorescence spectroscopy, refractometry, and Raman spectroscopy). The results showed acoustic waves and plasma formed during experiments with proteins. After irradiation, the absorption of protein solutions decreased in the spectral range corresponding to amino acid residues. In experiments with dynamic light scattering (DLS), it was shown that the peak, corresponding to protein molecules, decreases, and the peaks corresponding to large aggregates (>100 nm) grow. Raman spectroscopy has shown that there is a decrease in intensity at a wavelength of 1570 cm-1, which may indicate a possible degradation of the α-helix. There were no significant changes in the refractive indices and the shape of the fluorescent maps. However, after irradiation of the lysozyme solution, a significant decrease in the peak associated with the fluorescence of amino acids was observed and an additional peak of fluorescence was observed at the excitation wavelengths of 350 nm and 434 nm. Previously, researchers associated this peak with the formation of amyloid fibrils [4]. However, further studies using thioflavin-T and circular dichroism spectroscopy did not show the presence of amyloid fibrils. Thus, it can be assumed that partial denaturation and aggregation took place in both studied samples. [1] Dolgaev S. I. et al. Nanoparticles produced by laser ablation of solids in liquid environment //Applied surface science. – 2002. – Т. 186. – №. 1-4. – С. 546-551. [2] Hajiesmaeilbaigi F. et al. Preparation of silver nanoparticles by laser ablation and fragmentation in pure water //Laser Physics Letters. – 2005. – Т. 3. – №. 5. – С. 252. [3] Nagaev E. I. et al. Effect of Laser-Induced Optical Breakdown on the Structure of Bsa Molecules in Aqueous Solutions: An Optical Study //Molecules. – 2022. – Т. 27. – №. 19. – С. 6752. [4] Jesus C. S. H. et al. Using amyloid autofluorescence as a biomarker for lysozyme aggregation inhibition //Analyst. – 2021. – Т. 146. – №. 7. – С. 2383-2391. Докладчик: Нагаев Е.И. 378 2022-10-31
|