VII Съезд биофизиков России
Краснодар, Россия
17-23 апреля 2023 г.
Главная
О Съезде
Организаторы
Программный комитет
Программа Съезда
Место проведения Съезда
Проживание
Оргвзносы
Основные даты
Регистрация
Публикации материалов Съезда
Молодежный конкурс
Контакты
Тезисы
English version
Партнеры Съезда
Правила оформления докладов

Программа Съезда

Секции и тезисы:

Молекулярная биофизика. Структура и динамика биополимеров и биомакромолекулярных систем

Создание и изучение наноструктур на основе ДНК

Н.А. Касьяненко1*

1.СПбГУ;

* n.kasyanenko(at)spbu.ru

Использование биополимеров, особенно молекулы ДНК, для создания наноструктур в настоящее время используется в различных технологических разработках. Благодаря высокой специфичности, технология ДНК-оригами позволяет запрограммировать и получить методом самосборки различные 3-D конструкции, которые можно использовать в качестве материала при создании наноразмерных структур различного назначения, которые находят применение в наномедицине, нанофотонике, нанооптике и др.

Альтернативный подход использует индуцированные конформационные переходы, основанные на полиэлектролитных свойствах ДНК и на ее уникальных характеристиках – высокой жесткости, способности достаточно легко трансформировать уникальную двуспиральную структуру в гибкие одноцепочечные полимеры, на ее амфифильности (сочетании гидрофобных оснований и гидрофильного сахаро-фосфатного остова). Использование высокомолекулярной ДНК, способной компактизоваться в результате комплексообразования с противоположно заряженными агентами (полиаминами, поликатионами, многозарядными ионами металлов) в растворе позволяет индуцировать формирование наноразмерных упорядоченных структур. Такой подход использует неспецифические взаимодействия ДНК с лигандами. Манипуляции с качеством растворителя, изменением рН и ионной силы раствора , использование ПАВ может позволить регулировать процесс формирования наноструктур, заранее определяя их свойства и физико-химические характеристики. При необходимости такие структуры можно «декорировать» наночастицами и биологически активными агентами. Специфическое связывание различных лигандов с макромолекулой обеспечивает целенаправленную модификацию свойств формируемых наноструктур. Оптимизация такого подхода может обеспечить его использование при создании многокомпонентных систем. Как известно, наночастицы благородных металлов обладают уникальными плазмонными свойствами, которые применяются в различных технологиях: в биомедицинских приложениях при создании биосенсорных устройств, биокатализаторов, переносчиков биологически активных веществ, усилителей оптических сигналов и др.

В зависимости от природы и способа синтеза наночастицы могут обладать различными свойствами. Один из многообещающих способов синтеза наночастиц основан на использовании молекулы ДНК как шаблона. Получаемые таким образом наноматериалы привлекают внимание широким спектром применения. «Умные» многофункциональные наноматериалы, формируемые путем самосборки сложных комплексов в растворе, привлекают внимание не только широким набором возможных прикладных разработок, но и необходимостью решать фундаментальные задачи, касающиеся конформационного анализа, полиэлектролитных свойств, возможного фазового разделения в таких системах.

Одной из целей работы был подбор условий для синтеза сопряженных с ДНК частиц золота, серебра и палладия. Рассматривали возможное влияние интегрированных с ДНК наночастиц благородных металлов на конформационные и оптические свойства макромолекулы, на люминесценцию связанных с ДНК лигандов, на компактизацию макромолекулы, индуцированную различными агентами.

Предложен новый способ создания наночастиц палладия (PdNPs) без восстановителя с использованием синтетического сополимера. Проведено сравнение размеров и свойств полученных наночастиц с золотыми (AuNPs), синтезированными аналогичным путем, а также показана возможность формирования биметаллических наночастиц Au/PdNPs. Предложен способ металлизации ДНК золотыми и палладиевыми наночастицами в присутствии и отсутствии поверхностно-активного вещества с использованием боргидрида натрия в качестве восстановителя. Рассмотрены комплексы ДНК-наночастицы-противоопухолевые препараты на основе координационных соединений металлов.

Для характеристики систем использовали методы динамического светорассеяния, атомной силовой микроскопии, спектрофотометрии, гидродинамические методы оценки размеров и жесткости макромолекул.

Fabrication and investigation of nanostructures based on DNA

N.A. Kasyanenko1*

1.Saint-Petersburg State University;

* n.kasyanenko(at)spbu.ru

The usage of biopolymers, especially DNA molecules, to create nanostructures is currently used in various technological developments. Due to its high specificity, DNA origami technology makes it possible to program and obtain various 3-D structures by self-assembly, which can be used as a material for fabrication nanoscale structures for various purposes, which are used in nanomedicine, nanophotonics, nanooptics, etc.



An alternative approach uses induced conformational transitions based on the polyelectrolyte properties of DNA and its unique characteristics - high rigidity, the ability to fairly easily transform a unique double-stranded structure into flexible single-stranded polymers, and its amphiphilicity (a combination of hydrophobic bases and a hydrophilic sugar-phosphate backbone). The use of high molecular weight DNA capable of compacting as a result of complexation with oppositely charged agents (polyamines, polycations, multiply charged metal ions) in solution makes it possible to induce the formation of ordered nanostructures. This approach uses non-specific interactions of DNA with ligands. Manipulations with the quality of the solvent, variation in the pH value and ionic strength of the solution, the use of surfactants can make it possible to regulate the process of formation of nanostructures by determining their properties and physicochemical characteristics in advance. If necessary, such structures can be “decorated” with nanoparticles and biologically active agents. The specific binding of various ligands to the macromolecule provides targeted modification of the properties of the formed nanostructures. Optimization of this approach can ensure its usage in creating multicomponent systems. As is known, noble metal nanoparticles have unique plasmonic properties that are used in various technologies: in biomedical applications in the creation of biosensor devices, biocatalysts, carriers of biologically active substances, optical signal amplifiers, etc.



Depending on the nature and method of synthesis, nanoparticles can have different properties. One of the promising methods for the synthesis of nanoparticles is based on the use of a DNA molecule as a template. Nanomaterials obtained in this way attract attention with a wide range of applications. “Smart” multifunctional nanomaterials formed by self-assembly of complexes in solution attract attention not only for a wide range of possible applied developments, but also for the need to solve fundamental problems related to conformational analysis, polyelectrolyte properties, and possible phase separation in such systems.



One of the goals of this work was to select the conditions for the synthesis of DNA-coupled particles of gold, silver, and palladium. The possible effect of noble metal nanoparticles integrated with DNA on the conformational and optical properties of the macromolecule, on the luminescence of DNA-bound ligands, and on the compaction of the macromolecule induced by various agents was considered.



A new method for creating palladium nanoparticles (PdNPs) without a reducing agent using a synthetic copolymer has been proposed. The size and properties of the obtained nanoparticles are compared with gold (AuNPs) synthesized in a similar way, and the possibility of forming bimetallic Au/PdNPs nanoparticles is shown. A method for DNA metallization with gold and palladium nanoparticles in the presence and absence of a surfactant using sodium borohydride as a reducing agent is proposed. Complexes of DNA-nanoparticles-anticancer drugs based on metal coordination compounds are considered.



The systems were characterized by dynamic light scattering, atomic force microscopy, spectrophotometry, hydrodynamic methods for assessing the size and rigidity of macromolecules.



Докладчик: Касьяненко Н.А.
195
2023-02-17

Национальный комитет Российских биофизиков © 2022
National committee of Russian Biophysicists