CC BY
15
БИОФИЗИКА И МЕДИЦИНСКАЯ ФИЗИКА УДК 620.186:541.64
ОСОБЕННОСТИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ИОНОГЕННОГО ПОВЕРХНОСТНО-АКТИВНОГО ВЕЩЕСТВА С х-КАРРАГИНАНОМ
Т. Е. Григорьев, Д. В. Колесов, Е. Е. Махаева, И. В. Яминский, А. Р. Хохлов
(.кафедра физики полимеров и кристаллов) E-mail: timgrigo@polly.phys.msu.ru
Проведено исследование методом атомно-силовой микроскопии (АСМ) локальных сеток х-каррагинана, адсорбированных на поверхности в присутствии ионогенного поверхностно-активного вещества (ПАВ). Показано эффективное связывание ПАВ спиральной и нативной формами каррагинана.
Широкое распространение в генной инженерии получило использование электростатических комплексов ДНК с положительно заряженными лиган-дами — катионными полиэлектролитами и липоео-мами — для невирусного транспорта генов. Высокая эффективность передачи генной информации электростатическими комплексами ДНК определяет актуальность детального исследования механизмов образования, структуры и физико-химических свойств этих комплексов. Однако исследования в данной области осложняет трудоемкость получения значительных количеств выеокоочищенных препаратов ДНК, необходимых для физических экспериментов. Одним из путей преодоления этой проблемы можно рассматривать моделирование поведения ДНК в присутствии лигандов некоторыми анионными полисахаридами, в частности ь- и >гг-каррагинанами. Эти линейные сильно заряженные полимеры с регулярной первичной структурой способны образовывать двойные спирали в определенных условиях. Они воспроизводят три основные физические характеристики ДНК — отрицательный заряд, высокую плотность заряда и двуспиральную конформацию. Важной особенностью каррагинанов является способность образовывать гели. Спиральная конформа-ция является необходимым условием гелеобразова-ния каррагинанов [1]. При уменьшении температуры или увеличении концентрации соли происходит термообратимая ассоциация молекул каррагинана (образование двойных спиралей). Дальнейшая ассоциация спиралей приводит к образованию геля.
Взаимодействие каррагинанов с ПАВ в гелях исследовано методами малоуглового рассеяния рентгеновских [2-4] и нейтронных [5] лучей. Было установлено, что взаимодействие гелей каррагинана противоположно заряженного ПАВ ведет к коллапсу геля и формированию упорядоченной структуры в результате гидрофобных и электростатических
взаимодействий полимерная сетка — ПАВ. Более детальный анализ данных рассеяния показал, что молекулы полимера и ПАВ формируют етержне-видные структуры («стержни»), стабилизированные бислоями ПАВ. При этом при увеличении концентрации ПАВ эти структуры образуют кристаллиты — полые цилиндры, включающие в себя 6-10 «стержней» [2].
В работе [6] авторы показали возможность наблюдения стуктурообразования каррагинана методом атомно-силовой микроскопии. Также было показано на примере гелей геллана [7], что структура исследованных двухмерных сеток воспроизводит трехмерные гели.
В работе [8] методом дифференциальной сканирующей калориметрии было обнаруженно эффективное связывание ионов цетилтриметиламмония (ЦТА + ) молекулами х-каррагинана. Было показано, что связывание ЦТА 1 с >гг-каррагинаном вызывает появление новой упорядоченной структуры. Пик конформационного перехода от упорядоченной структуры к разупорядоченной наблюдался как в присустствии ионов К+, инициирующих гелеобра-зование, так и в бессолевом режиме.
Целью настоящей работы является исследование структурообразования >г:-каррагинана в присутствии ионогенного ПАВ цетилтриметиламмония бромида методом атомно-силовой микроскопии.
Экспериментальная часть
Водные растворы каррагинана прогревали в течение 20 мин на водяной бане при температуре примерно 90°С, охлаждали до комнатной температуры и смешивали с раствором лиганда в весовом соотношении 1:1 при постоянном перемешивании, затем выдерживали при комнатной температуре в течение 18 ч при постоянном перемешивании. Использова-
лась очищенная от ионов Са2+ натриевая форма >г-каррагинана.
На поверхность сколотой слюды, модифицированной раствором 0.01 моль/л КС], при помощи спинкоутера наносили рабочий раствор с определенной концентрацией х-каррагинана и цетилтриме-тиламмония бромида. Затем образец высушивался на воздухе. Измерения проводились на воздухе в режиме прерывистого контакта на микроскопах Фем-тоСкан (ООО НПП «Центр перспективных технологий»). Для сканирования использовались коммерческие кремниевые кантилеверы ГрN115 с золотым отражающим слоем (ФГУП «НИИФП им. Ф. В. Лукина»).
Результаты и обсуждение
На рис. 1 представлена микрофотография локальных сеток >г-каррагинана, полученных из 0.05% раствора х-каррагинана и 0.01 моль/л КС]. Ранее было показано [8], что при данной концентрации полисахарида и КС] наблюдается конфор-мационный переход двойная спираль-слубок. На АСМ-сканах видны сетки, образованные самопересекающимися волокнами из молекул каррагина-на. Высота волокон составляет от 0.3 до 1 нм, что указывает на наличие молекул как нативных (0.3-0.5 нм [6]), так и спиральных с характерной высотой 1-1.2 нм [6]. После добавления цетилт-риметиламмония бромида (ЦТАБ) структура сеток изменилась (рис. 2). Количество сшивок увеличилось, спирали объединились в более толстые тяжи с высотой до 3 нм, характерной для агрегатов спиралей [6]. Также на поверхности наблюдается образование мицелл ЦТАБ: размер отдельно стоящих
нм 1.0
1600
1200
800
400
0.5
-0.5
Рис. 1. Локальные сетки х-каррагинана, адсорбированные на поверхности слюды. Концентрация каррагинана в поливном растворе Ссагг = 0.05%, концентрация КС1 Ска = 0.01 моль/л
мицелл 3-3.5 нм. Из полученных результатов следует, что для исследуемых систем наблюдается сосуществование отдельных мицелл ПАВ и их агрегатов с высотой до 8-10 нм. Для анализа влияния сетки каррагинана на размер мицелл ЦТАБ было проведено сравнительное АСМ иссле-
1600
1200
800
400
Рис. 2. Локальные сетки х-каррагинана, адсорбированные на поверхности слюды в присутствии ЦТАБ. Концентрация каррагинана в поливном растворе Ссагг = 0.05%, концентрация КС1 Ска = 0.01 моль/л, концентрация цетилтриметил-аммония бромида Сстав = 0.15 моль/л
1600
1200
800
400
-1
Рис. 3. Локальные сетки х-каррагинана, адсорбированные на поверхности слюды в присутствии ЦТАБ в бессолевом растворе. Концентрация каррагинана в поливном растворе Ссагг = 0.05%, концентрация КС1 Ска=0, концентрация цетилтри-метиламмония бромида Сстав = 0.15 моль/л
дование мицеллообразования ЦТАБ на поверхности слюды в присутствии и в отсутствие полисахарида. Размер мицелл ПАВ, адсорбированных из солевого раствора КС1 в отсутствие полимера, составляет 3-3.5 нм, что совпадает с величиной мицелл в присутствии полимера. Однако агрегации мицелл без полисахарида не обнаружено.
В отсутствие ионов К+ (вызывающих образование спиралей и гелеобразование) также наблюдалось структурообразование молекул полисахарида (рис. 3). Однако сетки становятся более редко сшитыми, а тяжи — более толстыми и короткими. Высота тяжей составляет от 0.9 до 3 нм, что указывает на наличие агрегатов спиралей каррагинана. На поверхности также присутствуют мицеллы ЦТАБ с характерной высотой 3-3.5 нм.
Таким образом, показано, что добавление ЦТАБ в раствор изменяет структуру сеток >гг-каррагина-на. Взаимодействие ПАВ с >гг-каррагинаном ведет к стабилизации уже имеющихся спиралей, а также к образованию новой структуры. Формирование локальных сеток каррагинана в присутствии ПАВ происходит также и в отсутствие КС1, размеры агрегатов позволяют предположить спиральную структуру. При этом взаимодействие ПАВ с полисахаридом индуцирует агрегацию мицелл ПАВ.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант 06-03-32878).
Литература
1. Morris E.R., Rees D.A., Robinson G. 11 J. Mol. Biol. 1980. 138, N 2. P.Ë349.
2. Shtykova E., Dembo A., Makhaeva E. et al. 11 Lang-muir. 2000. 16, N 12. P. 5284.
3. Shtykova E.V., Shtykova E.V. Jr., Volkov V.V. et al. 11 J. Àppl. Cryst. 2003. 36, N 1. P. 669.
4. Evmenenko G., Theunissen E., Reynaers H. 11 J. Polym. Sei., Polym. Phys. 2000. 38, N 2\. P. 2851.
5. Evmenenko G., Theunissen E., Mortensen K., Reynaers H. Ц Polymer 2001. 42, N 7. P. 2907.
6. Mc/ntire T.M., Brant D.A. 11 Int. J. Biol. Macromol. 1999. 26, N 4. P. 303.
7. Morris V.J., Kirby A.R., Gunning A.P. 11 Progr. Colloid Polym. Sei. 1999' 114, N 1. P. 102.
8. Григорьев Т.Е., Гринберг H.В., Гринберг В.Я. и др. // Высокомолекулярные соединения. Сер. А. 2007. 49, № 6. С. 969.
Поступила в редакцию 15.02.2008
