Изучение взаимодействия наночастиц серебра с молекулой ДНК в водно-солевом растворе Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

А. В. Титов, М. С. Варшавский, К. Г. Лопатько, Н. А. Касьяненко

ИЗУЧЕНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ НАНОЧАСТИЦ СЕРЕБРА С МОЛЕКУЛОЙ ДНК В ВОДНО-СОЛЕВОМ РАСТВОРЕ

Введение. В последнее время интерес к изучению наноразмерных частиц металлов существенно возрос, так как открылись новые возможности их использования в современных технологиях (для получения эффективных и избирательных катализаторов, для создания элементов наноэлектронных и оптических устройств, для синтеза новых материалов и т. п.) [1]. Наноплазмоника с использованием биологических систем может найти применение как для разработки новых подходов и способов лечения в современной медицине, так и в области информационных технологий. Наночастицы серебра интересны своими замечательными оптическими свойствами: их коллоидные растворы имеют специфическую полосу поглощения в видимой области спектра, обусловленную плазмонным резонансом [2]. Изменение этой полосы под действием различных факторов даёт возможность следить за состоянием наночастиц в растворе.

Целью нашей работы являлось исследование влияния низкомолекулярных электролитов на спектральные свойства серебряных наночастиц в водном растворе, а также изучение возможности взаимодействия наночастиц с молекулой ДНК и синтетическим поликатионом полиаллиламином (ПАА).

Материалы и методы. Использовали наночастицы серебра, полученные методом объёмного электроискрового диспергирования [3] ; коммерческий препарат ДНК тимуса телёнка (Sigma) с молекулярной массой 11 • 106 Да, определённой вискозиметриче-ски. Полиаллиламин M = 25000 Да был синтезирован и охарактеризован в ИВС РАН О. В. Назаровой.

Применяли методы спектрофотометрии (СФ—56), атомной силовой микроскопии (NanoScope 4a, Veeco) в режиме прерывистого контакта, низкоградиентной вискозиметрии (ротационный вискозиметр типа Зимма—Крозерса с градиентами скорости 1-4 с-1). Измерения проводили при температуре 21 °С.

Результаты и обсуждение. На рис. 1 приведены результаты спектральных исследований растворов наночастиц при разных концентрациях NaCl. Ионную силу растворов наночастиц изменяли, сливая с водными растворами NaCl соответствующей концентрации.

С увеличением концентрации NaCl до 0,1М пик, соответствующий плазмонному резонансу (400 ± 1 нм в водном растворе), увеличивается по интенсивности и смещается в коротковолновую область на 10 ± 1 нм. При дальнейшем увеличении концентрации соли он становится менее интенсивным, уширяется, несколько меняет форму и смещается в красную область. Такие изменения могут быть связаны с возрастающей полидисперсностью системы из-за агрегации наночастиц при значительных концентрациях соли. Подчеркнём существенное различие во влиянии большой (> 0,1M) и малой (< 0,1M) концентрации NaCl на спектральные свойства наночастиц. Сдвиг максимума полосы плазмонного поглощения обычно связывают с изменением размеров наночастиц. В нашем случае это может быть обусловлено их взаимодействием с ионами. Действительно, существуют данные [4], что наночастицы могут сорбировать как отрицательные, так и положительные ионы из раствора. Такое изменение поверхности

© А. В. Титов, М. С. Варшавский, К. Г. Лопатько, Н. А. Касьяненко, 2011

Я, нм

Рис. 1. Спектры поглощения наночастиц серебра в водно-солевых растворах различной ионной силы (а) и зависимость оптической плотности в максимуме плазмонного поглощения Дтах от концентрации соли С^ает (б):

1 — 0М; 2 — 0,001М; 3 — 0,002М; 4 — 0,003М; 5 — 0,005М; 6 — 0,01М; 7 — 0,03М; 8 — 0,05М; 9 — 0,1М; 10 — 0,15М; 11 — 0,3М; 12 — 0,5М; 13 — 1М

Л 0,6-,

D

1 0,6-

2 0,5-

3

0,4-

4

0,3-

0,2-

0,1-

-, 0,0-

300 400 500 600 700 800 900

Я, нм

1

2

3

4

300 400 500 600 700 800 900

Я, нм

Рис. 2. Спектры поглощения серебряных наночастиц в водных растворах соляной кислоты (а) и гидроксида натрия (б):

1 — 0М; 2 — 0,001М; 3 — 0,01М; 4 — 0,05М HCl (а) (NaOH (б))

наночастиц способствует их отталкиванию друг от друга, что уменьшает вероятность агрегации, уширяющей полосу и сдвигающей её максимум за счёт изменения средних размеров частиц. Последнее мы наблюдаем при больших концентрациях NaCl. В области же малых ионных сил полоса плазмонного поглощения сужается по сравнению с таковой в воде. Эти растворы стабильны, тогда как при больших концентрациях NaCl со временем (около недели) в растворе появляется осадок.

Добавление HCl или NaOH в водный раствор наночастиц также вызывает изменение в их спектре поглощения (рис. 2). Влияние HCl в концентрациях 0,001М и 0,01М сходно с влиянием 0, 005М и 0,15М NaCl соответственно. Однако при концентрации кислоты

в растворе 0, 05М можно увидеть радикальное изменение спектра (рис. 2, a), которое мы не можем объяснить в настоящее время.

Добавление NaOH в раствор наночастиц тоже влияет на их спектральные свойства (рис. 2, б). Если действие кислоты в концентрациях менее 0,01М близко по характеру к влиянию NaCl, то добавление тех же концентраций NaOH в водный раствор не приводит к заметным изменениям полосы плазмонного поглощения, но несколько увеличивает оптическую плотность в длинноволновой области. Это даёт основание предположить, что влияние ионов хлора в подобном случае более существенно, чем влияние Na+. Отметим, что при концентрации щёлочи 0,05М пик плазмонного поглощения становится менее интенсивным, раствор меняет цвет, а в спектре наблюдается тенденция к появлению нового пика. Можно осторожно предположить, что последний обусловлен появлением частиц другого размера или, например, в случае образования вытянутых структур проявлением продольного плазмонного резонанса. Этот результат, безусловно, требует дальнейшего исследования. Заметим, что частота плазмонного резонанса зависит от размера частиц и от их формы.

Присутствие в растворе наночастиц полиионов также влияет на полосу плазмонного резонанса. В работе использовали отрицательно заряженную ДНК и положительно заряженный синтетический полимер полиаллиламин. Эти системы готовили сливанием равных объёмов растворов компонентов. Интересно отметить, что оба полииона влияют на спектр поглощения наночастиц (рис. 3). Возможно, в какой-то степени это влияние обусловлено конкуренцией между полиионами и наночастицами за ионы натрия или хлора. Рассмотренные эксперименты указывают на важную роль электростатических взаимодействий в исследуемых системах.

Добавление ДНК изменяет интенсивность полосы плазмонного резонанса и стабилизирует раствор наночастиц (при больших концентрациях соли в этом случае осадка не наблюдается). При больших концентрациях соли добавление ДНК в раствор наночастиц приводит к возрастанию интенсивности рассматриваемой полосы (рис. 3, a), а в 0,003М NaCl — её уменьшает (рис. 3, б). Падение оптической плотности при увеличении концентрации ДНК в 0,0025M NaCl продолжается до достижения Cdna = 6 • 10~5М пар оснований (рис. 3, в), затем интенсивность полосы сохраняет постоянное значение вплоть до C*dna = 3,6 • 10~4M пар оснований. Заметим, что при малой ионной силе раствора полоса плазмонного резонанса уже, чем при большой концентрации NaCl, как уже отмечалось выше. В последнем случае форма спектра может указывать на наличие неразрешённой полосы.

Данные, полученные методом низкоградиентной вискозиметрии, демонстрируют, что объём молекулы ДНК в присутствии серебряных наночастиц уменьшается (таблица), что может свидетельствовать об уменьшении полиэлектролитного набухания ДНК из-за электростатического взаимодействия наночастиц с фосфатными группами макромолекулы. Это предположение, однако, требует более тщательного экспериментального изучения.

Мы изучили системы методом атомной силовой микроскопии. Опыт показал, что при стандартной процедуре фиксации ДНК на поверхность слюды с добавлением в раствор MgCl2 макромолекул на подложке не наблюдается, если в растворе присутствуют

Относительное изменение удельной вязкости раствора ДНК в 0,0025М NaCl в присутствии наночастиц разной концентрации Gnp, C = 100 мг/л

Cdna,% Cnp ("Пг — 1)/(Т1 Г — 1)о

0,006 0 1,00

0,01 0 1,00

0,006 0,25 • С 0,90

0,01 0,484 • С 0,86

Я, нм

в

Я, нм

Рис. З. Спектры поглощения растворов наночастиц серебра в 0,15М NaCl (а) и 0,003М NaCl (б) без добавок (1 ) и в присутствии ДНК (2) и ПАА (3); зависимость оптической плотности в максимуме плаз-монного поглощения Dmax от концентрации ДНК Cdna (в)

наночастицы. Следовательно, наночастицы препятствуют ионам магния связываться с фосфатными группами ДНК. Можно предположить также, что наночастицы конкурируют с молекулами ДНК за ионы магния, препятствуя тем самым их взаимодействию с ДНК. Первое предположение об участии фосфатных групп ДНК во взаимодействии с наночастицами находит свое подтверждение в описанных выше экспериментальных данных, полученных с помощью метода вискозиметрии. Иными словами, электростатическое взаимодействие магния с ДНК, необходимое для фиксации макромолекулы, в этом случае не реализуется. Вместе с тем частично денатурированная ДНК высаживается из раствора с наночастицами (рис. 4, а). На рис. 4, б приведено АСМ-изобра-жение наночастиц, размер которых равен 35 ± 10 нм.

Таким образом, вся совокупность экспериментальных данных, полученных в работе разными методами, свидетельствует о влиянии на состояние наночастиц низкомолекулярных ионов и полиионов. Это выражается в изменении полосы плазмонного поглощения используемых в работе наночастиц серебра. С другой стороны, присутствие наночастиц серебра в водно-солевом растворе ДНК влияет на объём макромолекулы. То обстоятельство, что при добавлении наночастиц в раствор ДНК макромолекула

Рис. 4. АСМ-изображения частично денатурированной ДНК (а) и наночастиц серебра (б) на слюдяной подложке

практически не фиксируется на поверхности слюды по стандартной процедуре в присутствии MgCl2, свидетельствует о том, что фосфатные группы в этом случае недоступны для ионов магния.

Литература

1. Ершов Б. Г. Наночастицы металлов в водных растворах: электронные, оптические и каталитические свойства // Рос. хим. журн. (Журн. Рос. хим. об-ва им. Д. И. Менделеева). 2001. Т. XLV. № 3. С. 20-30.

2. Ясная М. А., Воронков Г. П., Хорошилова С. Э. Оптические свойства наночастиц серебра в водных растворах //Материалы XXXVII научно-техн. конф. по итогам работы профессорско-преподавательского состава СевКавГТУ за 2007 год. Т. 1. Естественные и точные науки. Технические и прикладные науки. Ставрополь, 2008.

3. ЩербаА. А., Захарченко С. Н, Лопатько К. Г. и др. Разрядно-импульсные системы производства наноколлоидных растворов биологически активных металлов методом объёмного электроискрового диспергирования // Пращ 1ЕД НАНУ. 2010. Вип. 26. С. 152-160.

4. Климов В. В. Наноплазмоника. М., 2009. 480 с.

Статья поступила в редакцию 28 июня 2011 г.