Динамика набухания полимерной мембраны в водной суспензии белков; эксперименты по фотолюминесцентной спектроскопии Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

Динамика набухания полимерной мембраны в водной суспензии белков; эксперименты по фотолюминесцентной спектроскопии

М.Е. Асташев1, П.Н. Болоцкова2, Н.Ф. Бункин12, С.В. Гудков1, В.А. Козлов1,2,

М.А. Окунева2

1-Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН, Россия, 119991 Москва, ул. Вавилова, 38 2-Московский Государственный Технический Университет им. Н.Э. Баумана, Россия, 105005Москва, 2-я

Бауманская ул., д. 5, стр. 1

e-mail: neonlight0097@gmail.com

В данной работе изучена динамика набухания полимерной мембраны НафионаТМ в воде и физиологическом растворе. Интерес к этим исследованиям обусловлен тем фактом, что при набухании внутри полимерной мембраны формируются сквозные каналы с размером 2 - 3 нм, причем поверхность этих каналов заряжена отрицательно, см. [1]. В то же время, белковые макромолекулы в нейтральных (рН = 7) и слабокислых водных растворах, как правило, заряжены положительно. С учетом того, что размер белковой глобулы также порядка 2 - 3 нм, эти частицы втягиваются внутрь каналов и эффективно «закупоривают» их. Однако, поскольку расстояние между внутренней поверхностью канала и белковой глобулой стремится к нулю, между каналом и частицей возникают электростатические поля высокой напряженности, что может приводить к неустойчивости заряженной глобулы. Содержащие белковые частицы физиологические растворы были приготовлены на основе обычной воды (содержание дейтерия 157 ppm) и так называемой обедненной по дейтерию воды (Deuterium depleted water, DDW, содержание дейтерия 3 ppm); в качестве белков были исследованы БСА и иммуноглобулин-g. Интерес к исследованиям динамики набухания Нафиона в воде с различным содержанием дейтерия обусловлен тем фактом, что при набухании Нафиона в обычной воде полимерные волокна эффективно «разматываются» в объем жидкости на расстояние ~ 300 мкм, в то время как при набухании в DDW этот эффект не возникает, см. [2]. Поскольку размотанные в объем воды волокна Нафиона заряжены отрицательно, вблизи поверхности мембраны эти волокна формируют пространственно-упорядоченную структуру типа коллоидного кристалла, образованного одноименно заряженными стержнями [3]. Таким образом, набухание Нафиона в белковых суспензиях, приготовленных в физиологических растворах на основе обычной воды и DDW, происходит в различных условиях на границе «полимер - жидкость». В эксперименте изучался спектр сигнала люминесценции с поверхности Нафиона при ее облучении в геометрии скользящего падения на длине волны 370 нм. В работе [2] было показано, что центрами люминесценции служат сульфогруппы на концах полимерных цепочек; поскольку в процессе набухания вода проникает внутрь каналов мембраны, приповерхностная плотность сульфогрупп падает, что должно приводить к монотонному уменьшению интенсивности люминесценции со временем. Однако, наличие белковых частиц обусловливает нарушение монотонности: белки закупоривают мембранные каналы, что препятствует проникновению воды внутрь мембраны. Это приводит к стабилизации (а в некоторых случаях - к росту) приповерхностной плотности сульфогрупп. Однако, вследствие развития кулоновской неустойчивости внутри каналов мембраны возможно разрушение белковых глобул. В зависимости от содержания и типа белковых частиц в динамике интенсивности люминесценции возникают различные режимы: бистабильность, мультистабильность (автоколебания), а также спонтанные переключения режимов высокочастотных и низкочастотных автоколебаний.

[1] K.A. Mauritz, R.B. Moore, State of understanding of Nafion, Chem. Rev., 104, 4535-4585 (2004).

[2] N.F. Bunkin, A.V. Shkirin, V.A. Kozlov, B.W. Ninham, E.V. Uspenskaya, S.V. Gudkov, Near-surface structure of Nafion in deuterated water, J.

Chem. Phys., 149, 164901 (2018).

[3] N.F. Bunkin, V.S. Gorelik, V.A. Kozlov, A.V. Shkirin, N.V. Suyazov, Colloidal Crystal Formation at the "Nafion-Water" Interface, J. Phys. Chem.

B, 118, 3372-3377 (2014).