Научная статья на тему 'Амфифильное макроциклическое производное пиримидина: самоорганизация, солюбилизация, взаимодействие с декамером ДНК'

Амфифильное макроциклическое производное пиримидина: самоорганизация, солюбилизация, взаимодействие с декамером ДНК Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

CC BY
36
6
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Журнал
Макрогетероциклы
WOS
Scopus
ВАК
Область наук
Ключевые слова
ПИРИМИДИНОФАН / АГРЕГАЦИЯ / AGGREGATION / СОЛЮБИЛИЗАЦИЯ / SOLUBILIZATION / ДЕКАМЕР ДНК / DNA DECAMER / PYRIMIDINOPHANE

Аннотация научной статьи по химическим наукам, автор научной работы — Габдрахманов Д.Р., Самаркина Д.А., Семенов В.Э., Сайфина Л.Ф., Захарова Л.Я.

С применением комплекса физико-химических методов (тензиометрия, кондуктометрия, динамическое и элек-трофоретическое рассеяние света, флуориметрия, спектрофотометрия) изучена агрегирующая способность и функциональная активность (солюбилизирующая способность, комплексообразование с декамером ДНК) дикатионного амфифильного пиримидинофана. Установлено, что протяженность и степень насыщенности гидрофобного радикала в урациловом фрагменте не оказывает влияния на величину критической концентра-ции агрегации (ККА) пиримидинофана в водных растворах. Обнаружено существование выше ККА двух типов агрегатов с различной солюбилизирующей способностью, размер которых составляет ~100 нм, а дзета-потенциал от +40 до +80 мВ. Показан неклассический механизм связывания пиримидинофана с декамером ДНК, вероятно, за счет реализации кооперативных взаимодействий гидрофобных доменов и минорного вклада электростатических взаимодействий.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по химическим наукам , автор научной работы — Габдрахманов Д.Р., Самаркина Д.А., Семенов В.Э., Сайфина Л.Ф., Захарова Л.Я.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Amphiphilic Macrocyclic Derivative of Pyrimidine: Self-Assembly, Solubilization and Interaction with DNA Decamer

Using the set of physico-chemical methods (tensiometry (ring detachment method), conductometry, dynamic and electrophoretic light scattering, fluorescence spectroscopy and spectrophotometry) aggregation behavior and functional activity (solubilizing activity, complexation with DNA decamer) of dicationic pyrimidinophane bearing allyl fragment have been investigated. Critical aggregation concentration (cac) values determined by tensiometry and conductometry techniques correspond to 1 mM and 3 mM. Mismatches in the data obtained using two different methods could be explained by difference in their sensitivity. Obtained cac value coincides with that of earlier studied pyrimidinophane bearing n-decyl hydrophobic residues. This is the evidence of insignificant effect of the size of macrocycle and the nature of hydrophobic radical in pyrimidinic moiety on aggregation behavior of pyrimidinophanes, which aggregation behavior is mainly driven by the presence of intraand intermolecular spacers between macrocycles. Solubilizing activity of amphiphilic pyrimidinophane toward hydrophobic azodye Orange OT, which has a band in electronic absorption spectrum with the maximum at 495 nm, has been examined by spectrophotometry technique. The presence of two aggregate types beyond cac with various solubilization power has been established: the first one corresponds to initiation of aggregates formation, while the second one reflects their morphological rearrangement. Possible reason of similar phenomenon is intermolecular π-stacking interactions of pyrimidinic moieties leading to the growth of aggregates. Calculated values of solubilizing power and aggregation numbers (by Schott technique) indicate on the fact, that the growth of aggregates is accompanied by loosing of pyrimidinophane molecules packing. As a result, aggregates are unable to withhold former amount of Orange OT. Using dynamic light scattering technique the size of pyrimidinophane aggregates in aqueous solutions has been estimated. Hydrodynamic diameter of associates formed was approximately 100 nm in the whole concentration range studied. However, additional minor peaks with hydrodynamic diameter ca. 300 nm appeared in concentrated solutions of pyrimidinophane. Similar size of particles in the system corresponds, to the best of our knowledge, to formation of layered or stacking aggregates (open mode of association). Data obtained by electrophoretic light scattering showed gradual increase of zeta potential values from +40 tо +80 mV. Similar behavior is typical for cationic surfactants and reflects the growth of aggregates size. For the estimation of binding capability of pyrimidinophane with DNA decamer (oligonucleotide) investigation of the size of mixed complexes (lipoplexes), its charge characteristics and binding degree between components have been involved. Estimation of particles size in pyrimidinophane/oligonucleotide binary system at various amount of macrocycle exhibited the formation of lipoplexes with mean hydrodynamic diameter in the range from 50 nm to 200 nm. This is in accordance with biotechnological requirements for similar complexes (hydrodynamic diameter must be less or equal to 200 nm for prolonged circulation in bloodstream). Electrophoretic titration of oligonucleotide solution by pyrimidinophane makes it possible to demonstrate inability of macrocyclic compound to compensate the negative charge of oligonucleotide. Steric hindrances for the localization of onium center in the area of negatively charged oligonucleotide phosphate groups could be considered as a cause of this phenomenon. Fluorescence analysis of ethidium bromide exclusion assay indicates on relatively high fraction of oligonucleotide bound with pyrimidinophane (maximum 90 %). Probably, in the case of this pyrimidinophane unconventional mechanism of binding with oligonucleotide is realized (interaction between hydrophobic domains of oligonucleotide and pyrimidinophane with minor contribution of electrostatic interactions).

Текст научной работы на тему «Амфифильное макроциклическое производное пиримидина: самоорганизация, солюбилизация, взаимодействие с декамером ДНК»

Cyclophanes

Циклофаны

Макрогэтэроцмклы

Статья

Paper

http://macroheterocycles.isuct.ru

DOI: 10.6060/mhc171144g

Амфифильное макроциклическое производное пиримидина: самоорганизация, солюбилизация, взаимодействие с декамером ДНК

Д. Р. Габдрахманов,@ Д. А. Самаркина, В. Э. Семенов, Л. Ф. Сайфина, Л. Я. Захарова

Посвящается академику Российской академии наук А. Ю. Цивадзе в связи с его 75-летием

Институт органической и физической химии им. А.Е. Арбузова Казанского научного центра Российской академии наук, 420088 Казань, Россия @Е-таИ: Nemezc1988@yandex.ru

С применением комплекса физико-химических методов (тензиометрия, кондуктометрия, динамическое и элек-трофоретическое рассеяние света, флуориметрия, спектрофотометрия) изучена агрегирующая способность и функциональная активность (солюбилизирующая способность, комплексообразование с декамером ДНК) дикатионного амфифильного пиримидинофана. Установлено, что протяженность и степень насыщенности гидрофобного радикала в урациловом фрагменте не оказывает влияния на величину критической концентрации агрегации (ККА) пиримидинофана в водных растворах. Обнаружено существование выше ККА двух типов агрегатов с различной солюбилизирующей способностью, размер которых составляет ~100 нм, а дзета-потенциал - от +40 до +80 мВ. Показан неклассический механизм связывания пиримидинофана с декамером ДНК, вероятно, за счет реализации кооперативных взаимодействий гидрофобных доменов и минорного вклада электростатических взаимодействий.

Ключевые слова: Пиримидинофан, агрегация, солюбилизация, декамер ДНК.

Amphiphilic Macrocyclic Derivative of Pyrimidine: Self-Assembly, Solubilization and Interaction with DNA Decamer

Dinar R. Gabdrakhmanov,@ Darya A. Samarkina, Vyacheslav E. Semenov, Lilya F. Saifina, and Lucia Ya. Zakharova

A.E. Arbuzov Institute of Organic and Physical Chemistry, Kazan Scientific Center, Russian Academy of Sciences, 420088 Kazan, Russian Federation

@Corresponding author E-mail: Nemezc1988@yandex.ru

Using the set of physico-chemical methods (tensiometry (ring detachment method), conductometry, dynamic and electrophoretic light scattering, fluorescence spectroscopy and spectrophotometry) aggregation behavior andfunctional activity (solubilizing activity, complexation with DNA decamer) of dicationic pyrimidinophane bearing allyl fragment have been investigated. Critical aggregation concentration (cac) values determined by tensiometry and conductometry techniques correspond to 1 mM and 3 mM. Mismatches in the data obtained using two different methods could be explained by difference in their sensitivity. Obtained cac value coincides with that of earlier studied pyrimidinophane bearing n-decyl hydrophobic residues. This is the evidence of insignificant effect ofthe size ofmacrocycle and the nature of hydrophobic radical in pyrimidinic moiety on aggregation behavior of pyrimidinophanes, which aggregation behavior is mainly driven by the presence of intra- and intermolecular spacers between macrocycles. Solubilizing activity of amphiphilic pyrimidinophane toward hydrophobic azodye Orange OT, which has a band in electronic absorption spectrum with the maximum at 495 nm, has been examined by spectrophotometry technique.

The presence of two aggregate types beyond cac with various solubilization power has been established: the first one corresponds to initiation of aggregates formation, while the second one reflects their morphological rearrangement. Possible reason of similar phenomenon is intermolecular n-stacking interactions of pyrimidinic moieties leading to the growth of aggregates. Calculated values of solubilizing power and aggregation numbers (by Schott technique) indicate on the fact, that the growth of aggregates is accompanied by loosing of pyrimidinophane molecules packing. As a result, aggregates are unable to withhold former amount of Orange OT. Using dynamic light scattering technique the size ofpyrimidinophane aggregates in aqueous solutions has been estimated. Hydrodynamic diameter of associates formed was approximately 100 nm in the whole concentration range studied. However, additional minor peaks with hydrodynamic diameter ca. 300 nm appeared in concentrated solutions ofpyrimidinophane. Similar size of particles in the system corresponds, to the best of our knowledge, to formation of layered or stacking aggregates (open mode of association). Data obtained by electrophoretic light scattering showed gradual increase of zeta potential values from +40 to +80 mV. Similar behavior is typical for cationic surfactants and reflects the growth of aggregates size. For the estimation of binding capability ofpyrimidinophane with DNA decamer (oligonucleotide) investigation of the size of mixed complexes (lipoplexes), its charge characteristics and binding degree between components have been involved. Estimation of particles size in pyrimidinophane/oligonucleotide binary system at various amount of macrocycle exhibited the formation of lipoplexes with mean hydrodynamic diameter in the range from 50 nm to 200 nm. This is in accordance with biotechnological requirements for similar complexes (hydrodynamic diameter must be less or equal to 200 nm for prolonged circulation in bloodstream). Electrophoretic titration of oligonucleotide solution by pyrimidinophane makes it possible to demonstrate inability of macrocyclic compound to compensate the negative charge of oligonucleotide. Steric hindrances for the localization of onium center in the area of negatively charged oligonucleotide phosphate groups could be considered as a cause of this phenomenon. Fluorescence analysis of ethidium bromide exclusion assay indicates on relatively high fraction of oligonucleotide bound with pyrimidinophane (maximum 90 %). Probably, in the case of this pyrimidinophane unconventional mechanism of binding with oligonucleotide is realized (interaction between hydrophobic domains of oligonucleotide and pyrimidinophane with minor contribution of electrostatic interactions).

Keywords: Pyrimidinophane, aggregation, solubilization, DNA decamer.

Введение

Одним из перспективных направлений супрамоле-кулярной химии в настоящее время является разработка композиций на основе макроциклических соединений амфифильной природы. Вероятно, наиболее изученными представителями этого класса являются гидрофобизи-рованные каликс[4]арены. В частности, активно изучаются циклофаны, к нижнему ободу которых ковалентно присоединены н-алкильные заместители различной протяженности.[1-3] В зависимости от дизайна макроци-клической платформы каликс[4]аренов можно получать эффективные агенты для связывания флуоресцентных красителей (перспективные флуоресцентные сенсоры),[1] аминокислот,[2] ряда гидрофобных лекарственных препаратов - производных органических карбоновых кислот,[3] новые перспективные носители лекарственных препаратов - твердые липидные частицы.[4] Отдельного упоминания заслуживают тиакаликс[4]арены, функционали-зация которых углеводородными радикалами различной длины способна придавать композициям на их основе амфифильный характер, обусловливающий широкий спектр практически полезных свойств: возможность связываться с ионами и органическими субстратами, способность к самоассоциации на межфазных границах и иммобилизации на твердых носителях.[5] К другому типу амфифильных макроциклических соединений, можно отнести производные порфирина. В частности, описано получение на основе амфифильных порфири-нов композиций, обладающих потенциалом применения в фотодинамической терапии,[6] а также в качестве

высокочувствительных химических сенсоров для обнаружения аммиака и диоксида азота.[7] Третий тип амфи-фильных макроциклов составляют амфифильные цикло-декстрины, которые позиционируются как эффективные системы доставки противораковых препаратов, генов и полипептидов.[8-10] Кроме этого, ведутся разработки новых типов амфифильных макроциклических соединений разнообразной архитектуры, обладающих такими практически полезными свойствами, как фотопереклю-чаемая[11] и рЯ-переключаемая[12] агрегирующая способность, жидко-кристаллические свойства,[13] возможность применения в качестве биовизуализаторов.[14] Работы нашего авторского коллектива посвящены систематическому исследованию новых типов амфифилов на макро-циклической платформе, содержащих в своей структуре пиримидиновый фрагмент - пиримидинофанов. В наших ранних работах было показано, что пиримидинофаны обладают рядом уникальных особенностей, в частности, способны к концентрационно зависимому гелеобразова-нию[15] и являются субстрат-специфичными катализаторами расщепления экотоксикантов различной гидрофоб-ности.[16] Поэтому их дальнейшая модификация и изучение функциональной активности представляет интерес и является актуальным. В рамках данной работы, продолжающей цикл исследований агрегационных характеристик и функциональной активности пиримидинсо-держащих ПАВ,[17-23] сформированы и изучены супра-молекулярные системы на основе макроциклического пиримидинсодержащего амфифила, в составе которого имеется аллильный заместитель (Рисунок 1а, ПФ-1). Полученные характеристики для ПФ-1 были сравнены

o

^ вг

/(сн2)5-^(сн2),

n

ci

■(СН2). O

4

Н3С (CH2)-^(CH2)5 X

C10H21

a)

o

н3с

4

b?

n

/(ch2)6-^-(CH2)6 o Н21 4 \

с1

)=o оц Y- c10h21 (ch2)6-^(ch2)6 X

С10Н2

6)

Рисунок 1. Структура пиримидинофанов ПФ-1 (а) и ПФ-2 (б).

с ранее изученным ближайшим аналогом пиримиди-нофаном ПФ-2 (Рисунок 1б). Наличие ненасыщенного фрагмента, по нашему мнению, может вносить дополнительный вклад в процесс самоорганизации за счет межмолекулярных взаимодействий с участием п-электронов двойной связи и стимулировать формирование уникальных морфологических структур в растворе.

Экспериментальная часть

Пиримидинофаны ПФ-1 и ПФ-2 были синтезированы в соответствии с описанными процедурами.[17,18]

Для изучения солюбилизационной способности растворов исследуемых ПАВ методом спектрофотометрии использовали краситель Оранж OT производства компании «Sigma-Aldrich», степень чистоты 95 %. В качестве флуоресцентного зонда в работе применен этидий бромид (ЭБ) производства компании «Sigma-Aldrich», степень чистоты 95 %.

При проведении эксперимента по связыванию с оли-гонуклеотидом использовали двухцепочечный олигонукле-отид (ONu) с 10 нуклеотидными звеньями в каждой цепочке (ГЦГТТААЦГЦ), молекулярный вес 3028 г/моль, производство компании «Joint Stock Company Syntol». Раствор олигонукле-отида готовили из сухого порошка путем разбавления 4 мМ водным трис-HCl буфером (три(гидроксиметиламино)метан, производство компании «Sigma-Aldrich», степень чистоты 99 %) при рЯ 8.0. Концентрация исходного раствора ONu составляла 20 мМ. Раствор нагревали при 95 °С в течение 5 минут и незамедлительно охлаждали в ледяной бане.

Все растворы готовили с использованием в качестве растворителя бидистилированной воды.

Поверхностное натяжение измеряли методом отрыва кольца (Дю Нуи) на тензиометре K06 компании Krüss. Объем растворов при проведении тензиометрических измерений составлял 10 мл. Кольцо между измерениями обрабатывали этиловым спиртом и обжигали в пламени горелки. Принцип измерения критической концентрации агрегации (ККА) основан на появлении излома на графике зависимости «поверхностное натяжение-lg СПДВ».

Измерение удельной электропроводности проводили с помощью кондуктометра Inolab Cond 720. Величину ККА находили по перегибу на зависимости «удельная электропроводность-концентрация ПАВ».

Электронные спектры поглощения регистрировали на спектрофотометре Specord 250 PLUS фирмы «Analytik Jena». Для работы использовали кварцевые кюветы толщиной 0.5 см. Для оценки солюбилизационной способности ПАВ в растворы амфифила засыпали избыток кристаллического красителя и выдерживали растворы в течение 48 часов. Спек-трофотометрические данные использовали для определения

солюбилизационной емкости (S) коллоидных систем по соотношению: S=b/e, где b - угловой коэффициент наклона зависимости A/l=ftC), s - коэффициент экстинкции Оранж OT (17400 моль"1-л см-1), А - оптическая плотность, l - толщина кюветы, см, С - концентрация ПАВ, моль л-1.

Определение размеров и дзета-потенциала агрегатов проводили на характеризаторе наночастиц ZetaSizer Nano фирмы «Malvern». Источником лазерного излучения являлся He-Ne газовый лазер мощностью 4 мВт и длиной волны 633 нм. Измерения проводили при угле рассеяния 173°. Полученные сигналы анализировали при помощи программного обеспечения, прилагаемого к прибору. Диаметр частиц рассчитывали, основываясь на уравнении Стокса-Эйнштейна для сферических частиц: D=kT/6n^r, где k - константа Больцмана, Т - абсолютная температура, h - вязкость растворителя, r - гидродинамический радиус. Перед измерениями все растворы фильтровали через фильтры Millipore с диаметром пор 450 нм.

Эмиссионные спектры флуоресценции для комплексов олигонуклеотид-ЭБ регистрировали на спектрофлуориметре Cary Eclipse. Раствор объемом 1.2 мл, содержащий 0.5 мкМ этидий бромида и 10 мкМ олигонуклеотида (концентрация в расчете на одно нуклеотидное звено), готовили в трис-HCl буфере с рЯ 8.0 непосредственно в кювете. После приготовления систему выдерживали в течение 10 минут при температуре 25 °С. После этого в полученную смесь дозировали необходимое количество ПАВ и регистрировали спектр флуоресценции. Аналогичные измерения проводили для всех соотношений ПАВ-олигонуклеотид, таким образом оттитровывая раствор олигонуклеотида раствором ПАВ. Для расчета степени связывания олигонуклеотида с ПАВ использовали уравнение: в = (I -1 )/(I -1 ,), где I . и I - соответственно, интенсив-

v связ ист v связ своЪ'^ ^ своб связ

ность флуоресценции свободного ЭБ и ЭБ, связанного с оли-гонуклеотидом; Iucm - истинная интенсивность флуоресценции, учитывающая вклад люминесценции от взаимодействия пири-мидинофана с бромистым этидием, которая вычисляется как:

Iucm=Ina6.-In0-,+3^ В ДО™™ ^^ L,- интенсивность флуоресценции в данный момент титрования, In0_1+3E - интенсивность флуоресценции в бинарной системе пиримидинофан/ЭБ.

Обсуждение результатов

На первом этапе исследования проводили определение ККА методами тензиометрии и кондуктометрии. За ККА принимали точку перегиба на изотерме поверхностного натяжения в случае тензиометрии (Рисунок 2) и точку перегиба на зависимости удельной электропроводности водных растворов ПАВ от их концентрации в случае кондуктометрии (Рисунок 3). Найденные таким образом величины ККА составили 1 мМ (тензиометрия) и 3 мМ (кондуктометрия). Эта разница незначительна

и объясняется различной чувствительностью методов. Следует отметить, что пиримидинофан с похожей структурой ПФ-2 (Рисунок 1б) был исследован ранее и отличался от данного макроцикла большим размером цикла и наличием более гидрофобного и насыщенного углеводородного радикала в пиримидиновом кольце, однако его ККА также составила 1 мМ. Подобное явление может свидетельствовать о незначительном влиянии природы гидрофобного радикала, присоединенного к пиримиди-новому фрагменту, на ККА, которая для ряда пиримиди-нофанов зависит преимущественно от величины макроцикла и наличия внутри- или межмолекулярных мости-ковых групп между макроциклами.[19,20]

у, мН/м " 70605040-

30

Рисунок 2. Изотерма поверхностного натяжения водных растворов ПФ-1; 25 °С.

X, мкСм/см " 8006004002000

0.000 0.003 0.006 0.009 0.012

Спф-1, М

Рисунок 3. Зависимость удельной электропроводности водных растворов ПФ-1 от концентрации амфифила; 25 °С.

Одним из основных свойств агрегатов ПАВ является способность к увеличению растворимости гидрофобных соединений (солюбилизация). В лабораторной практике для этой цели удобно использовать гидрофобные красители, переход которых в водорастворимую форму можно контролировать спектроскопическим методом. Типичным примером подобного гидрофобного соединения является азокраситель Оранж ОТ, который имеет полосу поглощения с максимумом при 495 нм. Для исследования солюбилизирующей способности пи-римидинофана регистрировали электронные спектры поглощения Оранж ОТ для бинарной системы ПФ-1/

Оранж ОТ при различных концентрациях ПАВ (Рисунок 1 в приложении).

13495 0.4" 0.30.20.10.0

0.000 0.002 0.004 0.006

Спф-1, М

Рисунок 4. Зависимость оптической плотности при длине волны 495 нм для бинарной системы ПФ-1/Оранж ОТ от концентрации ПФ-1; 25 °С (цифрами 1 и 2 обозначены участки существования первого и второго типа агрегатов, соответственно).

Зависимости максимума поглощения бинарной системы ПФ-1/Оранж ОТ от концентрации ПАВ (Рисунок 4) отражает увеличение растворимости гидрофобного зонда и характеризует солюбилизирующую способность коллоидной системы. Из графика видно, что зависимость оптической плотности от концентрации ПАВ имеет три линейных участка. Подобная ситуация наблюдается, когда в растворе присутствует несколько видов агрегатов, причем первая критическая точка отражает инициирование формирования агрегатов, а вторая - их морфологическую перестройку. Причиной подобной перестройки могут быть п-стэкинговые взаимодействия пиримидиновых фрагментов пиримидинофана, которые приводят к укрупнению агрегатов. Для сформированных агрегатов были рассчитаны величины солюбилизационных емкостей (S) и числа агрегации (N) по методу Шотта[24] (Таблица 1). Сопоставляя полученные величины S и N, можно предположить, что перестройка агрегатов сопровождается увеличением размера ассоциатов и разрыхлением упаковки молекул пиримидинофана. В результате этого агрегаты второго типа не способны удерживать в своем гидрофобном ядре прежнее количество Оранж ОТ в со-любилизированном состоянии.

Таблица 1. Значения солюбилизационной емкости S и числа агрегации N для ПФ-1.

Тип агрегатов S, моль /моль,,,, красителя ПАВ N

1 0.0078 96

2 0.0014 209

Методом динамического светорассеяния были определены размеры агрегатов ПФ-1 (Рисунок 5). Во всем диапазоне концентраций размеры агрегатов составляют около 120 нм. Однако в области высоких концентраций появляется незначительный вклад

1E-5 1E-4 1E-3 0.01

Спф-1, М

агрегатов размером ~300 нм, что согласуется с данными солюбилизации о существовании в растворе нескольких типов агрегатов. Очевидно, что в силу геоме -трических особенностей строения пиримидинофана формирование небольших мицеллоподобных агрегатов не является энергетически выгодным, а наиболее вероятным становится образование структур по открытой модели ассоциации (предположительно, стопочные или слоистые ассоциаты). Тем не менее, агрегаты ПФ-1 ограничены в своем максимальном размере и не имеют склонности к значительному укрупнению с ростом концентрации ПАВ.

30 20 10

100 1000 Dh, нм

Рисунок 5. Распределение агрегатов по размерам, усредненное по числу частиц, для водных растворов ПФ-1: 1 - 1 мМ, 2 - 2.5 мМ, 3 - 5 мМ; 25 °С.

(0№), их заряд, а также степень связывания, поэтому в рамках данной работы проведен комплекс физико-химических исследований по оценке этих характеристик для бинарной системы ПФ-1Ю№. Методом динамического светорассеяния были оценены размеры агрегатов в бинарной системе ПФ-1/0№ (Рисунок 7). Из рисунка видно, что индивидуальный размер олигонуклеотида составляет 2-4 нм. При добавлении ПАВ с минимальных мольных соотношений ПАВЮ№ начинается формирование совместных комплексов с гидродинамическим диаметром в диапазоне 50-200 нм. Согласно литературным данным, для того, чтобы липоплекс свободно функционировал в кровеносной системе, его размер не должен превышать 200 нм.[26] Таким образом, в данном случае по своим размерным характеристикам сформированный комплекс ПФ-1Ю№ удовлетворяет биотехнологическим стандартам.

Данные, полученные методом электрофоретическо-го рассеяния света, показали постепенное возрастание дзета-потенциала от +40 до +80 мВ с увеличением концентрации ПАВ (Рисунок 6.) Такое поведение типично для катионных ПАВ, и отражает процесс укрупнения агрегатов первого типа, существующих в данной концентрационной области.

80 Z, мВ

60-

40-

2.0 Спав, мМ

Рисунок 6. Зависимость электрокинетического потенциала водных растворов ПФ-1 от концентрации ПАВ; 25 °С.

Связывание катионных амфифилов с олигонукле-отидом, имеет большое значение, в первую очередь, с точки зрения их применимости в качестве невирусных векторов.[25] Важнейшими критериями оценки эффективности связывания компонентов в таких системах является размер комплексов ПАВ/олигонуклеотид

Рисунок 7. Распределение агрегатов по размерам, усредненное по числу частиц, для бинарной системы ПФ-1/ОЫи при различных мольных соотношениях ПФ-1/ОЫи: 1 - индивидуальный ОЫи, 2 - 0.006, 3 - 0.02, 4 - 0.044, 5 - 0.1, 6 - 0.2, 7 - 0.4, 8 - 0.8; 25 °С.

Методом электрофоретического рассеяния света оценивали способность ПАВ к нейтрализации отрицательного заряда нуклеотидных звеньев (Рисунок 8). Установлено, что при низких концентрациях ПАВ происходит значительное снижение величины дзета-потенциала, что может быть следствием расплетения двойной цепочки олигонуклеотида и развертки его молекулы в растворе. При более высоких мольных соотношениях ПАВЮ№, близких к эквимолярным, начинается компенсация отрицательного заряда олигонуклеотида. Тем не менее, изоэлектрическая точка в данном случае не достигается, что свидетельствует о незначительном вкладе электростатических взаимодействий в связывание между компонентами системы. Вероятно, это происходит потому, что из-за стерической загруженности они-евый центр пиримидинофана не может локализоваться вблизи фосфатных групп олигонуклеотида.

Количественная оценка способности амфифила связываться с олигонуклеотидом была проведена флу-ориметрическим методом с использованием в качестве зонда-интеркалятора этидий бромида (ЭБ). Полученные для тройной системы ЭБ/ONu/ПФ-1 спектры представлены на Рисунке 2а в приложении, которые сравнены с флуоресцентными данными для бинарной системы ЭБ/ПФ-1 (Рисунок 2б). Обработка первичных

Рисунок 8. Зависимость электрокинетического потенциала бинарной системы ПФ-1Ю№ от мольного соотношения ПАВ/олигонуклеотид; 25 °С.

Рисунок 9. Зависимость степени связывания ПФ-1 c олигонуклеотидом от мольного соотношения компонентов; 25 °С.

спектральных данных позволила установить, что ПФ-1 обладает значительной комплексообразующей способностью в отношении олигонуклеотида, которая резко увеличивается, начиная с мольного соотношения ПФ-1/ 0№ 0.2 (Рисунок 9), и достигает максимума при молярном соотношении макроцикл/декамер ДНК 0.45 (около 90 %). Сопоставляя этот результат с данными, приведенными на Рисунке 8, можно утверждать, что в данном случае реализуется неклассический механизм связывания между катионным амфифилом и нукле-отидными звеньями 0№, основанный, вероятнее всего, на взаимодействии гидрофобных доменов декамера ДНК с неполярными гидрофобными хвостами пирими-динофана. Следует отметить, что флуориметрические исследования проведены в микромолярной области концентраций всех компонентов, что исключает влияние процессов агрегации амфифила, имеющих место в более концентрированных растворах амфифила, на связывание с 0№ и учитывает взаимодействие ПФ-1 с декамером ДНК лишь в молекулярной форме. Вместе с тем, необходимо отметить, что агрегированная форма ПАВ может внести специфику в эффективность взаимодействия компонентов. Это было проверено и подтверждено в нашей ранней статье, в которой сравнивали эффективность комплексообразования олигонуклеотида с мицеллообразующими ПАВ и болаформными амфифилами, не способными к агрегации.[27]

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Выводы

Таким образом, в ходе исследования агрегирующей способности и функциональной активности супрамоле-кулярных систем на основе пиримидинофана с аллиль-ным заместителем показано отсутствие влияния природы заместителя у пиримидинового цикла на значение ККА, установлено концентрационно зависимое существование двух типов агрегатов с различной солюбили-зирующей способностью по отношению к гидрофобному соединению, а также выявлен неклассический механизм связывания амфифила с декамером ДНК с низким вкладом электростатических взаимодействий.

Благодарности. Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда (проект

№ 14-50-00014).

References

Список литературы

1. Burilov V.A., Fatikhova G.A., Mironova D.A., Solovieva S.E., Antipin I.S. Macroheterocycles 2015, 8, 409-414.

2. Shalaeva Ya.V., Morozova Ju.E., Syakaev V.V., Kazako-va E.Kh., Ermakova A.M., Nizameev I.R., Kadirov M.K., Konovalov A.I. Supramol. Chem. 2017, 29, 278-289.

3. Morozova J.E., Syakaev V.V., Kazakova E.K., Shalaeva Y.V., Nizameev I.R., Kadirov M.K., Voloshina A.D., Zobov V.V., Konovalov A.I. Soft Matter 2016, 12, 5590-5599.

4. Helttunen K., Galan A., Ballester P., Bergenholtz J., Nissinen M. J. Colloid Interface Sci. 2016, 464, 59-65.

5. Solovieva S.E., Burilov V.A., Antipin I.S. Macroheterocycles 2017, 10, 134-146.

6. Topkaya D., Ng S.Y., Bretonniere Y., Lafont D., Chung L.Y., Lee H.B., Dumulin F. Photodiagn. Photodyn. Ther. 2016, 16, 12-14.

7. Abdullah K., Wu Y., Zhao Sh., Kong X., Li X., Chen Y. Inorg. Chem. Commun. 2017, 86, 1-5.

8. Jia T., Huang Sh., Yang C., Wang M. Mol. Pharmaceutics 2017, 14, 2529-2537.

9. Varan G., Varan C., Erdogar N., Hincal A.A., Bilensoy E. Int. J. Pharm. 2017, 531, 457-469.

10. Erdogar N., Esendagli G., Nielsen T.T., §en M., Öner L., Bilensoy E. Int. J. Pharm. 2016, 509, 375-390.

11. Hua Q.-X., Xin B., Xiong Z.-J., Gong W.-L., Li Ch., Huang Zh.-L., Zhu M.-Q. Chem. Commun. 2017, 53, 2669-2672.

12. Cao Z.-Q., Wang Y.-Ch., Zou A.-H., London G., Zhang Q., Gao Ch., Qu D.-H. Chem. Commun. 2017, 53, 8683-8686.

13. Zhou F., Zhang Zh., Jiang G., Lu J., Chen X., Li Y., Zhou N., Zhu X. Polym. Chem. 2016, 7, 2785-2789.

14. Webber B.C., Cassino C., Botta M., Woods M. Inorg. Chem. 2015, 54, 2085-2087.

15. Voronin M.A., Gabdrakhmanov D.R., Semenov V.E., Valeeva F.G., Mikhailov A.S., Nizameev I.R., Kadirov M.K., Zakharova L.Ya., Reznik V.S., Konovalov A.I. ACS Appl. Mater. Interfaces 2011, 3, 402-409.

16. Gabdrakhmanov D.R., Valeeva F.G., Semenov V.E., Samarkina D.A., Mikhailov A.S., Reznik V.S., Zakharova L.Ya. Macroheterocycles 2016, 9, 29-33.

17. Semenov V.E., Voloshina A.D., Kulik N.V., Strobykina A.S., Giniyatullin R.Kh., Saifina L.F., Nikolaev A.E., Krylova E.S., Zobov V.V., Reznik V.S. Russ. Chem. Bull. 2015, 64, 28852896.

18. Voronin M.A., Valeeva F.G., Zakharova L.Ya., Giniyatullin R.Kh., Semenov V.E., Reznik V.S. Colloid J. 2010, 72, 323-331.

19. Zakharova L.Ya., Semenov V.E., Syakaev V.V., Voronin M.A., Gabdrakhmanov D.R., Valeeva F.G., Mikhailov A.S., Voloshina A.D., Reznik V.S., Latypov Sh.K., Konovalov A.I. Mater. Sci. Eng., C 2014, 38, 143-150.

20. Voronin M.A., Valeeva F.G., Zakharova L.Ya., Giniyatullin R.Kh., Semenov V.E., Reznik V.S. Kinet. Catal. 2010, 51, 644-652.

21. Gabdrakhmanov D.R., Samarkina D.A., Valeeva F.G., Saifina L.F., Semenov V.E., Reznik V.S., Zakharova L.Ya., Konovalov A.I. Russ. Chem. Bull. 2015, 64, 573-578.

22. Samarkina D.A., Gabdrakhmanov D.R., Semenov V.E., Valeeva F.G., Gubaidullina L.M., Zakharova L.Ya., Reznik V.S., Konovalov A.I. Russ. J. Gen. Chem. 2016, 86, 656660.

23. Gabdrakhamanov D.R., Samarkina D.A., Semenov V.E., Saifina L.F., Valeeva F.G., Reznik V.S., Zakharova L.Ya. Phosphorus, Sulfur Silicon Relat. Elem. 2016, 191(11-12), 1673-1675.

24. Schott H. J. Phys. Chem. 1966, 70, 2966-2977.

25. Yin H., Kanasty R.L., Eltoukhy A.A., Vegas A.J., Dorkin J.R., Anderson D.G. Nat. Rev. Genet. 2014, 15, 541-555.

26. Nagayasu A., Uchiyama K, Kiwada H. Adv. Drug Deliv. Rev. 1999, 40, 75-87.

27. Zakharova L., Voronin M., Semenov V., Gabdrakhmanov D., Syakaev V., Gogolev Yu., Giniyatullin R., Lukashenko S., Reznik V., Latypov Sh., Konovalov A., Zuev Yu. ChemPhys-Chem 2012, 13, 788-796.

Received 28.11.2017 Accepted 12.12.2017

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.