Научная статья на тему 'АСМ-исследования комплексов ДНК и одностенных углеродных нанотрубок'

АСМ-исследования комплексов ДНК и одностенных углеродных нанотрубок Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

CC BY
102
17
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Аннотация научной статьи по нанотехнологиям, автор научной работы — Чудинова Г. К., Наговицын И. А., Кононов М. А., Масляницын И. А., Шигорин В. Д.

Исследовано взаимодействие образцов ДНК, выделенных из листьев табака двух сортов, с углеродными нано-трубками (УНТ). Методом атомно-силовой микроскопии (АСМ) получены изображения пленок комплексов ДНК-УНТ. Продемонстрирована возможность образования упорядоченных самособирающихся структур в пленке ДНК-УНТ.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по нанотехнологиям , автор научной работы — Чудинова Г. К., Наговицын И. А., Кононов М. А., Масляницын И. А., Шигорин В. Д.

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

Текст научной работы на тему «АСМ-исследования комплексов ДНК и одностенных углеродных нанотрубок»

УДК 546.26:577.3-022.532

АСМ-ИССЛЕДОВАНИЯ КОМПЛЕКСОВ ДНК И ОДНОСМЕННЫХ УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК

Г. К. Чудинова, И. А. Наговицын, М. А. Кононов, И. А. Масляницын, В. Д. Шигорин, В. В. Савранский

Исследовано взаимодействие образцов ДНК, выделенных из листьев табака двух сортов, с углеродными нано-трубками (УНТ). Методом атомно-силовой микроскопии (АСМ) получены изображения пленок комплексов ДНК-УНТ. Продемонстрирована возможность образования упорядоченных самособирающихся структур в пленке ДНК-УНТ.

В последнее время углеродные нанотрубки являются объектом пристального внимания, в частности, как биосовместимые материалы, имеющие биологическое и медицинское применение. Бионанокомпозиты на основе углеродных нанотрубок могут быть использованы для: 1 - производства биосенсоров; 2 - синтеза молекулярных структур для транспорта вакцин и лекарств в определенный орган человека; 3 - использования нанотрубок в качестве матрицы для роста клеток; 4 - создания биоэлектронных приборов, которые могут быть имплантированы в организм человека [1-5].

Использование нанотрубок при создании чувствительного элемента биосенсоров приводит к ощутимым преимуществам, а именно, возможно резкое увеличение чувствительности, уменьшение размера чувствительного элемента за счет развитой поверхности, а также повышение скорости измерений и воспроизводимости [6-13].

В качестве датчика сенсоров в последнее время успешно используется метод атомно-силовой микроскопии (АСМ), который имеет огромный потенциал как для количественного, так и для качественного определения биоматериалов. АСМ является очень точным инструментом для характеризации получаемого изображения сложных биомолекулярных систем. Углеродные нанотрубки представляют собой идеальный материал для этих

целей. R LJûtibmuee время АСМ в динами тоской режиме используется л ля химического и молетлгляртго-^иоло1 и чес кош a ¡irj uh.juh ДНК и нй l'ÈJJihAJU f] S 27].

Динкой исследоваште является первым да^йерии запланированные о&ъелисзетшых о& шей LJ.CJJ кю, iL имепно. провести СЖ5"№ма.ги'гсскос ге.слсдонаттА по Выбору <ЛШШ№ ■■ с.iо hi и tolfliiààl'jî, биоЙйИГЙВОКГПОЛк'на па_че на но гручкж um гу^гЯитеДьИОГЙ ijifMi ГГ' -ч ÔHOCCHÎ .i

rí:ep¿¡фЩлъхМЩ. 'f-jcmb. Б ра&оте оылн испольэов&пы олпостеглгые пя&шпеппыг

павдгтруёки (1П'1, смн псиироьат^ные.ш) метоЕик^ еодерйлнче ЕгачфггруЁчиг ft ионее&юм п род у к т-г 20%.

05ра.ЭЦЫ ДНК (ЛНК1 И ДНК2) были виде.-екы ич листкенднух copiow ч-дблкй haj:i<t-яшего \'icí)i.in-iri Та1ии:ш[1 L. ПО Memnuffr [2У]. концгнч^аци« '.[\iK I .1 Kl '■' '■>

;днк. ) w Ы WW (пн-ka)

j литературы ц^гяпяо, что для l^i.ipFii- иргаб&л и я кямсред^тйенни hh$moi рубок аз cv:oni -iiiiiDjib^ ain¿$ растворы щ>верх)го^гг&]е.к'тив1тчх веществ '.II \0) т. jlilx & í-t-. три то f : x -1üü в и süübíjí яокп^ттт-ра :;гг <гх im) 31 ]. и ;i a. i п гor р агь.с а кгл а гс. - л :. Д1Ж бы- : и H^jfejlblMiSiiinJ ДАМП В к а1 гест не акчи к нот нешссгиа ;:л h sSfE'jwwЧтрсйййич I I ni исполнит л род y tí га ■

Комплексы ДНК с Li Г напучили н G.Ü| И ü (Ы15 M карОипш 6ttJ¿ítpíkiH£i iuv

йуф^тк^ ÉpSÏ У.2). нкирин ч p-itlLlYii íbíK M. ^ki.icji ■,!(■■■ i рп-

MJÁüJJií следующим обра afijn : -cvhrjc кЩежИ iЩрШ■ uLX liiülOi pyGüK (2 .■: i¿i il и" ■! iui>jd4ü.v:n растворами 'С\. сидержа1щвдн ДНК1 или ДНК2 з кЬпичйст.Ье ¿'.!Л1.

L íj у-1 Вк"Щ[." или fiy(-n:j)¿i-. Пцц(отоадЕуиыые и&оаздтп; апоа&лгизлллсь ул^тразяукон дч

y'ümi-íX' к точение 3D .чип. Плд йхлаждв?т[дя раствора Д£1К с 1IT в r^LUec сора&гнтки у.и к ip¿L:iiiy ким ясгер^ь^рвалй etwer. лг^д^ хлориад натрия и золи (^сжщиая TOMMOin-i L'vjïii: 7 "C l. "Ге^ЛГерАтура Д1ГК,и 1П и :ч:чонш- гог-о нрп^егга со<л лчпгл.- р

ÙC- MiVy ICH HVKJ í ye MC H Irl К) LjOLl I j. i Id фу I Ji ¡J^iiik. LH JÍJ M Л i >V 'L' i.pH Í¡[)ÍIÜ afiy ItH

л j. иепт рл0угс ü ! - S V X .11 -1.:J in " .■ HiJ :j , рн; LiL.if. li ким. I. .^кс П H К t. RI . v Aï pt 11. i ■ ■ c-1 . ( waiCHHaJIiMlUM ^¡00 Ml ,Г| H+iHiifcïi'iu h¿L ii[)jitipoH¿LH ri lie к нар цены о iro;.'ici»; ■■:•.'. -¡л^

МерЙЙ Sö X i. С1 X 1.5 M"Wt, ко-1 о] fin : i [ K7/I H-îLp и i к \ i лло 11 име ЩЩ1Л н ч ш i h и ! I e i р 11 fIn? г ти I Laü .fvjniiiii' в iívichhh ■yiï>K .-i isiti.|>í¿xiiix залпах Петри при ьомыатцйй .(■.viiu:p¿r у ре.

СлВЕТрЫ TIÏJ-MlOlUCirH Щ Iii Иа'тн hix ртугчорон „'lilk. P¿LC I Hítpo^ lit SM Г.1 OIÍCa^R IIIIK HT .1

ija ^ Hripiu^Hh к и .lac i Ü ПК их ИЗЛИрДч'ХИ 1£4 ento pc^OîuhiciфЦрЩЙ? Si i_cajd^i: V Í.^D (i-li tj-H i-: h ). И с i .le/jUiia. i (. l\jy =луры ВЕлетой проводили lift ■ Mit u potatuire JJ-1-^]J \\- \1 Y]

(ЗАО 'ЧЧТ-МБТ", Россия) в режиме силового сканирования с использованием програм-

Резулътаты и обсуждение. На рис. 1 приведены спектры поглощения исходных концентрированных растворов ДНК1 и ДНК2 (а), и спектры поглощения полученного комплекса ДНК с нанотрубками после ультразвуковой обработки в растворе (Ь). На рис. 2 приведены спектры поглощения исходных образцов ДНК и комплексов ДНК с нанотрубками на кварцевых подложках после обработки ультразвуком и высушивания на воздухе. Как видно, максимум спектра поглощения комплекса ДНК с нанотрубками смещен на 15-20 нм в длинноволновую область относительно максимума поглощения ДНК и в растворе (рис. 1), и на кварцевой подложке (рис. 2). Это свидетельствует о том, что сдвиг максимума полосы поглощения ДНК при взаимодействии с НТ объясняется именно образованием комплекса ДНК с нанотрубками, а не изменением окружения при образовании пленки.

Рис. 1. а - Спектры поглощения исходных концентрированных растворов ДНК1 и ДНК2 до смешения с нанотрубками; Ь - Спектры поглощения ДНК1 и ДНК2 с нанотрубками после ультразвуковой обработки (200 мкл исходного концентрированного раствора ДНК1 или ДНК2 + 2 мг неочищенных нанотрубок в 6 мл 0.05 М буферного раствора).

Электронно-микроскопическое изображение неочищенных нанотрубок (исходного продукта, содержащего нанотрубки) приведено на рис. 3 (до ультразвуковой экстракции). На изображении видна аморфная структура исходного образца. Из-за небольших

мы Р7_БРМ.

0.00

240 260 280 300 Длина волны, нм

260 280 300 320 Длина волны, нм

Kpamwiu. сообщепин vo фчзкке ФИ A lí

utmsp 12. 2001

V-

c

Á I-

Ь

i С fe £

I

.5 0.02 -

0 0J

1-1-Г ' I -

240 2t.M 2RI.i jOU 120 Дшаш! 1Ю.1МН. км

P¡fr_ 2. CVieií^jMjt 1 lcvmou^VÍ:S- 4ao6ptíJt\r>fi /TffflT гк-i HflHfltijpySoic v i! v y;'.. 7JtJ'h

с япнатрубнвмк ^ j} íifl ка apycvvv подмжкс.

риг. ?,. \j. p o r! 1! -1-' iv vp яг к t> г; i; ■ ■< <•: <: к <> ?. М4=т>м;.1рг||. .ччл.иг шшотрупок. flpod'j •■'<: .

держи™. WX- шпотрубок.

р i- I UtJ |№D с ИМ И X палот-р yfHJ h. 'h 2—'J 1 I "О. IУ H li-3 П: hi Л H J pxnoi ТТГ. Г,:;<.■ I ■ >. I Cl" 11 hukuTpyfjoк, i.: 1ШЫОЦ1.Н) ¿гл)Ш:о склоним .микроскоп и и ¡ .\C-\f) предстдвлщм o:ip<.v:t:.i н у к; Т руп> к >1 :Ч' ь. Н a pre.. I 1: р Кйедеп' .1 А (.' V] и юбраж с1 i111 я I ж-ник, л^луч« тих и с■ 11 rt; : н г. ■ ■.-и растлорн днк1 fitvi плавленая h¿ihi>l jv6ok; 13 кндрт.'йоп пласт 11 koi i| ■ j 11 опыт), Пон*:рхлогть, кик хорошо видно, состой" и.ч íl:üt>jo уложеппых roapopfyaagux r.iTiyk j y fj j драче! ¡i которых cix'iлаляет о:1 ,10 дс fill лм,

Itfi рпсуихй-Л о i-' () ¡.релстлн.п:ны изображении iuit:aok образцов нднш-:)\бол 1: iIFíKl .[ Д1ЕК2 cúoteptí^'hcíhho, полу юн ныл испарением годного par ~ко.,л п. - iH fj.íJ .кк ie .-.& paíio 1 к л ульч'ршнуком. Видно существенное различие как по р&шер.г -¿а л по ферм; f)i)píLK>ijívBo;ixfn н пленках гтрукiyp (рис. Ъ. (i; 1.0 еравпеплю го <■ rpy . p...., i-.л.-uoml-'. ченгнои. nnemai ,'lliKl (риг.. -1j. СЧруктури пленок шшлцвд» ЛИ К I < кано l (рис, 5) напоминают hctkv ели; размеры oj^joto домгнп ("Htvj-ки ) IjI.H.1 пм и бопымс. Структура п..eiiOK, комгг.игкгы ДНК2 г "гакоч рунжал:!!. uредставлязп- гоЬги

wo.*ifti 12, №01 г.

* К

Рас. -1. Г.".Vi ОДвбрОДсдоЗД ílJKMiíti ,'TffÄ'i /ij^J ¡шнотр^поъ). 1'иг. j. .Lf.-'Ai u.vtófjp^fiiduí клиЬги /77/Д í j. «., я^члнноА ^шарен^ ööcbrjir

рй+'ГПЯ r.lfliï.

ГЧтг. ti. ЛСД/ ttbfrflaiwrtç wwrç ^ffifg с ¡ДОойДОЙНШи ftupfemhtf ucnajh-Mir.Mi „■„/..■,.

öfiUr m íopíj,

сксплеии* Hi ижрообрдапмх (■] 00 J 20 irai) ивральдых МоО-ЗГ/! hmJ çTpyii-rjfp Ьис. Ejl

Pul. г i À Щ ¡Uá&fi н ..■ г. rt,tr ч к и .// // К i t ííí п ufflpy if clj; í1 . '-v-ty ^ i- rtH ui'. lit ■ ■ ig г h -, i. .1 liijpj . ■

ijíj-í.t.'j.li у,'/!..: ¡'jiJÏ —

Рнс. H. .4 (IM u¿uGjKiг млтодолкчисм. tif?.j^4íwwi>rJ ÍJе.ч npe-»oï.u буферного vc.<. тавра (jfíi ~

Совсем jipVTTir илнображОн w н kï. г у Ччййггс м ; ¡н k:?mi ДМ К I н ..IГ К? г г.;-'

i :jví):v¿lmi . ijo.iyчéjifibjx испарением (^фердого раствора ¡pli ч,2. и п|мк> 1i-e н ■ M л л i.if.i iL 11 ¿l натрия^, ь.оторыс представлены ни ряс. 7 ц & Дня Д11К_ члк. 7i ни^ик-

■m

п.'М-. ;,' J'.í', Í'00?

даютт.« ныеокоунорадочешше п нуроооралныс структуры, равномерно расгргцс h-hi ,i по поверх i-ск. i vi. Ширина одного "шнура" анм аилнст иеличину порядка 100 lim. " ■: ■ позволяет Lоноркть о палнчл;.1 н комм.нтссе HHKJ с УНТ лишь одной auno пенно:- h пот рубки, о : и к -1 ï ■ 11 лоп молекул ой Л Е1К ] iV.x см«. кии лликса п р и веде и а в ра&о т а Bu я член нес rpy к ту ры полуг ie н но i \ t и <lvi и комплекса т ре бует даль пей и i нх i-. .<--.rii ■.. Отметим, что атомпо- силона сканирование кварцевой пластилин fw> жг.у. r:.i ■ ч и я :=. цок; аыиает неоднородность полученной пленки. Это может быть связано, во-первых ■ : ■ что испарением раствора невозможно нриштоинть равдюмерпой пле&кн. и, hivhio..i к а.-; это чае-т-о н нбпщц ается л л я ленгмк>ронских пгпепок, структура плел-.и i^a к 1ан.т собой домены, между которыми располагается лустое пространство, так начинаемые дефект Уменьши ие лефектов та-.ой пленка ja счет сближения ломежж njn не к

га&илича! w " i ленки (десгру-лпин), нидимо, Tai«Я структура чср'с .южикй J : ■ .• d пустот термццщЕЙМИЧегтои иыюдна [HT-iOj. Одна ко ■ нллгпо фа к i самоор! ¿шиза _rm пм-iL~eicco?UUIKl с УН'] при испарении раствора. Подобные нысокоучюрядоче^шш г ы могут р. дальнейшем бглть hcik!..i,jouai[1i прг создании чуне i ни тс., i. пых элементов : н-сорпых г ис I C.V .

В случае и поль.ю^азшл JUJ1K2 (pH \).Ч) образуются питеполобные t i .i- Kiyp > 8A). ГТрк увеличении изображения (рис. НН| индии, чю китеподобние гтручтуры со-

сLяj.i'JtT't.t на щарииСраэпых дпменон piti^epOM ОТ 100 ли г чпП ic. Mi ....... ■ . .

ЧТО н наблюдаемых ламп ¿юмснаХ происходит агрегадну ломилсксии ПНК2 И трубок (ац'регапия тгдноч'рубок ирсяемопстриронд.на с помощью АСМ в paöo-t Отлнсгпм, что тпл-рообршныи (ЪзЛ) и п ии:об:л±чные (filâmes:) структуры р тл'тсратуре ДЛ£ рааных lhlIOB líllK 1-3]

Таким юм. ла npnvepe обратной ДНК. зыделелт-.пг и.ч лис гм:н i aCatv-i личных слргон, показало, что на. форму агрегатов коуттлгксон, ДНК УН I u6pa_w ■ Л1ИХСЯ на почсрлНОСТИ квэ-рцснон илм-ТИНЕИ, влияет рачличис ну клео i л дно: о ■:■■.....( ДИК. Покачало, TiTO на Гюне рхлостИ кварпенпй lu:¿u \лнкл обра jyio i ся самоор га л мло-нанные упорядоченные димепы, состоящие нч комплексов ДНК с УНТ, I !ол учены . л к л-.-, предварительные результаты, кпчорые показываютц что па форму ко^т.и-кс; йк<'лывазот в ли « н и f условия erci получении ípH буфор, присутствие соли)

Коплекч-ии уторов выражает ш крс>1:1150Ю благодатлгосч Обрачионой Я..Л III '¡i! ИОФ РАН), любеино прецостанннн[ей нано'Арубкп> Белепкому И II !íF'.)l> i i ;:о1:: ан.люему J.U I К и Иаснльевои Н.Д- (МОИ) ча получение злиитуавпомикроско: " скою изображении.

Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ 07-02-00160-а.

ЛИТЕРАТУРА

[1] A. Huczko, Н. Lange, Е. Caiko, et al. Fullerene Sci. Technol. (Fullerenes Nanotubes Carbon Nanostruct.) 9, 251 (2001).

[2] M. Shim, N. W. S. Kam, R. J. Chen, Y. Li, H. Dai. Nano Lett. 2, 285 (2002).

[3] K. Besteman, J. - O. Lee, F. G. M. Wiertz, et al. Nano Lett. 3, 727 (2003).

[4] A. Bianco, M. Prato. Adv. Mater. 15, 1765 (2003).

[5] J. Davis, K. Coleman, B. Azamian, et al. Chem. Eur. J. 9, 3732 (2003).

[6] Q. Zhao, Z. Gan, Q. Zhuang. Electroanalysis 14, 1609 (2002).

[7] P. J. Britto, K. S. V. Santhanam, P. M. Ajayan. Bioelectrochem. Bioenergetics 41, 121 (1996).

[8] J. Wang, M. Li, Z. Shi, N. Li, Z. Gu. Electroanalysis 14, 225 (2002).

[9] K. Wu, X. Ji, J. Fei, S. Hu. Nanotechnology 15, 287 (2004).

10] S. Tsang, Z. Guo, Y. Chen, et al. Angew. Chem. Int. Edit. 36, 2198 (1996).

11] Z. Guo, P. J. Sadler, S. C. Tsang. Adv. Mater. 10, 701 (1998).

12] M. B. Shenai, K. G. Putchakayala, S. A. Hessler, B. G. Orr, et al. IEEE Trans. Nanobiosc., 3, N 2, 111 (2004).

13] R. J. Chen, Y. Zhang, D. Wang, H. Dai. J. Am. Chem. Soc. 123, 3838 (2001).

14] R. J. Chen, S. Bangsaruntip, K. A. Drouvalakis, et al. Proc. Nat. Acad. Sci. USA 100, 4984 (2003).

15] C. Dwyer, V. Johri, M. Cheung, et al. Nanotechnology 15, 1240 (2004).

16] P. He, M. Bayachou. Langmuir 21, N 13, 6086 (2005).

17] A. Woolley, C. Guillemette, C. Cheng, D. Housman, C. Lieber. Nat. Diotechnol. 18, 760 (2000).

18] D. Cai, J. Mataraza, Z. Qin, et al. Nat. Methods 2, 449 (2005).

19] L. Chen, K. Haushalter, C. Lieber, G. Verdine. Chem. Biol. 9, 345 (2002).

20] S. Iwabuchii, T. Mori, K. Ogawa, et al. Arch. Histol. Cytol. 65, 473 (2002).

21] C. Niemeyer. Rev. Mol. Biotech. 82, 47 (2001).

22] Y. Dufrene. Micron 32, 153 (2001).

23] A. Curulli, F. Valentini, C. Padeletti, et al. Palleschi, Sens. Actuats В 111/112, 526 (2005).

24] P. Dahlgren, M. Karimov, P. Thumfort, et al. Disease-a-Month 51, 374 (2005).

25] J. Zlatanova, S. Lindsay, S. Leuba. Progress Biophys. Mol. Biol. 74, 37 (2000).

[26 [27 [28 [29 [30 [31

[32 [33

[34

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

[35 [36 [37 [38 [39 [40 [41 [42 [43

R. Colton D. Baselt, Y. Dufrene, et al. Current Opinion Chem. Biol. 1, 370 (1997). S. Zhang. Biotechnol. Advances 20, 321 (2002). C. Kingston, B. Simard. Anal. Lett. 26, 3119 (2003). J. J. Doyle, J. L. Doyle. Phytochem. Bull 19, 11 (1987). J. Riggs, D. Walker, D. Carroll, Y. Sun. J. Phys. Chem. В 104, 7071 (2000). К. Ausman, R. Piner, 0. Lourie, R. Ruoff, M. Korobov. J. Phys. Chem. В 104, 8911 (2000).

Т. Yamade. Synth. Met. 70, 1511 (1995).

А. В. Елецкий. Успехи физ. наук 167, 945 (1997 ) [А. V. Eletskii, Physics Uspekhi 40, 899 (1997)].

Э. Г. Раков. Успехи химии 70, 934 (2001) [E.G. Rakov, Russ. Chem. Rev. 70, 827 (2001)].

M. Zheng, A. Jagota, M. S. Strano, et al. Science 302, 1545 (2003). M. Zheng, A. Jagota, E. D. Semke, et al. Nat. Mater. 2, 338 (2003). G. Nechev, M. Hibimo, I. Natta. Colloids & Surfaces A 166, 1 (2000). J. Peng, G. Barnes. Thin Solid Films 252, 44 (1994). N. Peachey, C. Eckhardt. Micron 25, 271 (1994).

A. Malinauskas, J. Malinauskience, A. Ramanavicius. Nanotechnol. 16, R51 (2005).

B. Ohler, I. Revenko, G. Husted. J. Struct. Biol. 133, 1 (2001).

E. Buranova, A. Karlash, G. Popova, et al. Mater. Sci. Engin. С 19, 41 (2002). К. Umemura, J. Komatsu, T. Uchikashi, K. Ichimura. Biochem. Biophys. Res. Communs 281, 390 (2001).

Институт общей физики

им. A.M. Прохорова РАН Поступила в редакцию 19 ноября 2007 г.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.