CC BY
63
Лантух Ю.Д., Пашкевич С.Н.
Оренбургский государственный университет E-mail: [email protected]
СУПЕРЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ В ПЛЕНОЧНЫХ СТРУКТУРАХ ДНК-КРАСИТЕЛЬ
Предложен способ получения оптически однородных пленочных структур на основе двуспиральной ДНК, сформированных по принципу «гость-хозяин», в которых молекулы красителя («гость») обладают высокой флуоресцентной способностью. Получена суперлюминесценция красителя пиронина G в такой системе.
Ключевые слова: пленки ДНК, принцип «гость-хозяин», пиронин G, суперлюминесценция.
Актуальность
Молекула ДНК, являющаяся носителем генетической информации, в последнее время рассматривается в качестве одного из кандидатов на роль основного конструктивного элемента при создании новых материалов в нанотехнологиях [1].
Такой подход основан на специфических физико-химических свойствах, присущих ДНК, например, способности к самосборке и формированию упорядоченных структур из встраиваемых наночастиц, наличии отрицательного заряда, достаточной жесткости в ближнем порядке и др.
В настоящее время проводятся интенсивные исследования по применению ДНК в молекулярной фотонике [2].
Нуклеиновые кислоты не обладают светочувствительностью в видимой области спектра (максимум поглощения оснований ДНК находится в районе 260 нм), поэтому создание материалов для оптоэлектронных приложений требует введения в их состав спектральных сенсибилизаторов. В качестве таковых могут быть использованы органические красители.
Многие органические красители (акридиновые, тиазиновые и др.) являются биологически активными соединениями, демонстрирующими мутагенную активность и фотодинами-ческое действие. Такие эффекты возможны благодаря связыванию молекул красителей с ДНК. Обладая высоким квантовым выходом флуоресценции, некоторые красители широко используются в биологии в качестве молекулярных люминесцентных зондов.
Информация о механизмах связывания органических красителей с ДНК важна также для создания оптоэлектронных материалов и устройств на базе таких систем.
Взаимодействие органических красителей, в том числе акридиновых и ксантеновых, с нуклеиновыми кислотами в растворах интенсивно изучалось с использованием различных методов в течение последних десятилетий. Спектроскопические исследования позволили получить важную информацию о комплексах связывания таких красителей как акридиновый оранжевый и пиронин G с ДНК в водных буферных растворах [3-7]. Однако спектральнолюминесцентные свойства полимерных пленок ДНК с внедренными молекулами красителей практически не изучены.
В работе [8] нами с помощью спектроскопических методов было проведено исследование конформационного состояния ДНК в форме пленочных структур, содержащих органический краситель акридиновый оранжевый. Было показано, что молекулы ДНК в сухих пленках при комнатной влажности воздуха (о.в. ~ 50%) денатурированы, краситель связывается с биополимером с образованием нескольких типов комплексов. Молекулы красителя, связанные с биополимером в виде комплексов различного типа, представляют собой разнородные оптические центры. Присутствие в системе таких центров приводит к различию частот электронных переходов, что обуславливает проявление неоднородного уширения оптических спектров. Было показано также, что флуоресценция красителя в сухих пленках ДНК практически отсутствует. По нашему мнению этот факт может объясняться присутствием в системе нелюминесци-рующих ассоциатов красителя, переносом энергии электронного возбуждения от мономерных молекул красителя на такие ассоциа-ты, а также повышенной конформационной подвижностью одноцепочечных фрагментов
ДНК, что может приводить к увеличению вклада процессов безызлучательной релаксации.
Нами установлено, что эффект стабилизации В-формы ДНК даже при пониженных значениях о.в. среды может быть достигнут путем внесения в полимерные пленки добавок глицерина. Данные электронной и колебательной спектроскопии [8] свидетельствуют о том, что в исследуемых образцах наблюдается сохранение двуспиральной структуры ДНК. По нашему мнению, стабилизирующее влияние добавки может быть обусловлено, как высокой способностью глицерина удерживать сорбционную воду, так и непосредственным взаимодействием молекул глицерина с ДНК, сопоставимым с влиянием молекул воды на состояние двойной спирали. Молекулы красителя акридинового оранжевого в такой системе присутствуют в виде наноразмерных оптически активных центров одного типа, которые формируются благодаря самосборке по принципу «гость-хозяин». В качестве «гостя» выступают молекулы красителя, а «хозяина» - сайты связывания интеркаляционного типа молекул нативной ДНК. При этом неоднородное уширение спектров красителя отсутствует, и люминесцентный канал дезактивации энергии электронного возбуждения получает высокую эффективность.
Цель
Исследование люминесцентных свойств биополимерных пленок ДНК-пиронин G-глицерин и получение эффекта суперлюминесценции в такой системе.
Материал и методы
Исследования проводили с натриевой солью высокомолекулярной ДНК (MP Biomedicals), выделенной из молок лосося. Для приготовления пленок ДНК растворяли в би-дистиллированной воде до получения гомогенного раствора.
Глицерин (Эколаб) очищали двойной вакуумной перегонкой. Пиронин G (Sigma) использовали без дополнительной очистки.
Пленки ДНК с красителем на стеклянных подложках получали по методике, использованной в работе [8]. Соотношение содержания ДНК и красителя в растворе, выражае-
мое как отношение концентрации нуклеотидов к концентрации лиганда P/D, составляло 40 - 100.
Спектры поглощения и люминесценции регистрировали на оптоволоконном спектрометре AvaSpec 2048 (Avantes). Для возбуждения флуоресценции использовали перестраиваемый аргоновый лазер Lexel-88 (LEXEL) и DPSS YAG-Nd cw лазер ^M-532/SLN (ФТИ-Оптроник). В качестве импульсного источника возбуждения флуоресценции использовали YAG-Nd лазер LQ-129 (Солар ЛС).
Измерения выполнялись при комнатной температуре (20 - 25°С).
Результаты и обсуждение
В работе [8] нами был предложен способ получения оптически однородных пленочных структур на основе двуспиральной ДНК, сформированных по принципу «гость-хозяин». Ин-теркалированные в двойную спираль ДНК молекулы красителя акридинового оранжевого («гость») обладают высокой флуоресцентной способностью, являются однородными оптическими центрами, спектр флуоресценции которых не зависит от длины волны возбуждения.
В настоящей работе нами исследованы флуоресцентные свойства красителя пирони-на G, внедренного в матрицу ДНК в форме био-полимерной пленки, стабилизированной глицерином.
На рисунке 1 кривая 1 представлен спектр флуоресценции пиронина G в пленочной матрице ДНК-глицерин, полученный при лазерном возбуждении на длине волны 532 нм от DPSS YAG-Nd лазера. Такие же (по форме) спектры регистрируются при возбуждении аргоновым лазером на длинах волн 488 и 514 нм. Мощность возбуждающего лазерного излучения во всех случаях составляла 1 мВт. Наличие интенсивной флуоресценции и независимость ее спектра от длины волны возбуждения свидетельствуют о том, что, как и в случае использования красителя акридинового оранжевого, молекулы пиронина G в пленке ДНК, стабилизированной глицерином, представляют собой оптически активные центры одного типа. В сухих пленках ДНК флуоресценция пиронина G отсутствует.
Учитывая возрастающий интерес к разработкам полимерных оптических волокон
и пленок с органическими красителями как активным средам перстраиваемых лазеров [9], нами была предпринята попытка получить суперлюминесценцию биополимерных пленок ДНК- пиронин О-глицерин используя для накачки вторую гармонику импульсного УАО-Ш лазера (А=532 нм).
Схема эксперимента с поперечной накачкой приведена на рисунке 2.
Пучок излучения лазера накачки фокусировался цилиндрической линзой на поверхности образца. Область возбуждения имела форму полоски шириной менее миллиметра. Энергия импульсов возбуждения Еимп изменялась в пределах от 0,05 до 5 мДж, длительность импульсов составляла 15 нс. Флуоресценция образца снималась с торца пленки. Спектр флуоресценции красителя регистрировался после каждого импульса лазерного возбуждения при помощи волоконного спектрометра АуаБрес 2048, работающего по принципу полихроматора. При малых энергиях импульсов накачки (~0,1 мДж) спектр флуоресценции практически совпадает со спектром, полученным при возбуждении непрерывными лазерами (кривая 1 на рис. 1). По мере увеличения энергии импульсов возбуждения происходило возрастание интенсивности флуоресценции, а начиная с некоторого значения, оно принимало нелинейный характер. При этом наблюдалось сужение спектра люминесценции и ее индикатрисы. Пример регистрируемого в этом случае спектра флуоресценции пиронина О приведен на рисунке 1, кривая 2 (Еимп= 3 мДж, величина сигнала уменьшена в 400 раз).
Из рисунка 1 видно, что при достаточном увеличении плотности мощности накачки сигналы флуоресценции изменялись по форме спектра и интенсивности от обычной люминесценции, обусловленной спонтанным излучением (кривая 1), до суперлюминесценции (кривая 2).
Полученный результат по нашему мнению обусловлен тем, что в полимерных пленках ДНК- пиронин О с добавкой глицерина молекулы красителя интеркалированы в двойную спираль ДНК, являются оптически активными центрами одного типа и обладают высоким выходом флуоресценции.
Следующим этапом исследований по данному направлению предполагается полу-
чение лазерной генерации в активной среде на основе ДНК-краситель-глицерин посредством придания пленочному образцу соответствующей геометрической формы и использования схемы накачки с распределенной обратной связью.
В литературе известны примеры применения материалов, основанных на комплексах ДНК-краситель, для получения суперлюминесценции [10-12], но все они содержат поверхностно-активные вещества (ПАВ) в качестве компонентов, обеспечивающих внешнее связывание красителя с ДНК.
Отличительной особенностью нашего подхода к созданию пленочных структур на основе комплексов ДНК - органический краситель является отсутствие ПАВ как необходимого компонента. Это существенно упрощает процедуру получения пленок, и главное, позволяет использовать преимущества внутриспираль-ной упаковки молекул красителей.
Выводы
Таким образом, в настоящей работе показано, что в пленочных образцах на примере системы ДНК-пиронин О-глицерин реализуется принцип «гость-хозяин» путем самосборки однородных супрамолекулярных структур
Рисунок 1. Спектры флуоресценции пиронина О в матрице ДНК-глицерин, Р/Э=50, полученные при разных условиях возбуждения
Рисунок 2. Схема эксперимента по возбуждению суперлюменесценции в пленочных образцах ДНК-краситель
по методике «снизу-вверх» и указанные пле- данными свойствами. В образцах ДНК-пиро-
ночные структуры можно отнести к наност- нин G-глицерин получена суперлюминесцен-
руктурированным материалам с заранее за- ция красителя.
15.10.2012
Работа выполнялась при поддержке РФФИ, грант № 11-02-97021-р_поволжье_а.
Список литературы:
1. Seeman N.S. Nanomaterials based on DNA // Annu. Rev. Biochem. - 2010. - V. 79. - P. 65-87.
2. Steckl A.J., Spaeth H., et al. DNA as an Optical Material // OPN Optics & Photonics News. - 2011 - P.35-39.
3. Fredericq E., Houssier C. Study of the Interaction of DNA and Acridine Orange by Various Optical Methods // Biopolymers - 1972.
- V. 11, - N. 11. - P. 2281-2308.
4. Geacintov N.E., Waldmeyer J., Kuzmin V.A., Kolubayev T. Dynamics of the Binding of Acridine Dyes to DNA Investigated by Triplet Excited State Probe Techniques // JOURNAL OF PHYSICAL CHEMISTRY - 1981. - V.85(24). - P. 3608-3613.
5. Kononov A.I., Moroshkina E. B., Tkachenko N. V., Lemmetyinen H. Photophysical Processes in the Complexes of DNA with Ethidium Bromide and Acridine Orange: A Femtosecond Study // J. Phys. Chem. B. - 2001. - V.105 (2). - P. 535-541.
6. Kapuscinski J., Darzynkiewicz Z. Interactions of Pyronin Y(G) With Nucleic Acids // Cytometry. - 1987. - V. 8 - P.129-137.
7. Darzynkiewicz Z., Kapuscinski J., Traganos F., Crissman H.A. Application of Pyronin Y(G) in Cytochemistry of Nucleic Acids / / Cytometry. - 1987. - V. 8 - P.138-145.
8. Лантух Ю.Д., Пашкевич С.Н. и др. Спектроскопические свойства биополимерных пленок ДНК - акридиновый оранжевый // Оптика и спектроскопия. - 2011. - T. 110. - №6. - C. 932-937.
9. Майер Г.В., Копылова Т.Н. и др. Активные полимерные волокна с органическими красителями. Генерация и усиление когерентного излучения // Квантовая электроника. - 2007. - Т. 37. - №1. - С. 53-59.
10. Thin-film lasers based on dye-deoxyribonucleic acid-lipid complexes // Appl. Phys. Lett. - 2002. - V. 81. - P. 1372-1374. 11 Kawabe Y., Wang L., Horinouchi S., T., Ogata N. Amplified Spontaneous Emission from Fluorescent-Dye-Doped DNA±Surfactant
Complex Films. // Adv. Mater. - 2000. - 12. - N. 17. - P. 1281-1283.
12. Mysliwiec J., Sznitko L., et al. Lasing effect in a hybrid dye-doped biopolymer and photochromic polymer system // APPLIED PHYSICS LETTERS. - 2010. - V. 96. - P. 141106-1 - 141106-3
UDС 547.97: 535.34/37 Lantukh Yu.D., Pashkevich S.N.
SUPERLUMINESCENCE IN THE DNA-DYE FILM STRUCTURES
The method of production of optical uniform double-helical DNA film structures is proposed. These structures were formed according to the «guest-host» principle and the dye molecules act as the «guest» and demonstrate high fluorescence capability. Superluminescence of Pyronin G is realized in such system.
Key words: DNA films, «guest-host» principle, Pyronin G, superluminescence
Bibliography:
1. Seeman N.S. Nanomaterials based on DNA // Annu. Rev. Biochem. - 2010. - V. 79. - P. 65-87.
2. Steckl A.J., Spaeth H., et al. DNA as an Optical Material // OPN Optics & Photonics News. - 2011 - P.35-39.
3. Fredericq E., Houssier C. Study of the Interaction of DNA and Acridine Orange by Various Optical Methods // Biopolymers
- 1972. - V. 11, - N. 11. - P. 2281-2308.
4. Geacintov N.E., Waldmeyer J., Kuzmin V.A., Kolubayev T. Dynamics of the Binding of Acridine Dyes to DNA Investigated by Triplet Excited State Probe Techniques // Journal of physical chemistry - 1981. - V.85(24). - P. 3608-3613.
5. Kononov A.I., Moroshkina E. B., Tkachenko N. V., Lemmetyinen H. Photophysical processes in the complexes of DNA with ethidium bromide and acridine orange: A Femtosecond Study // J. Phys. Chem. B. - 2001. - V.105 (2). - P. 535-541.
6. Kapuscinski J., Darzynkiewicz Z. Interactions of pyronin Y(G) with nucleic acids // Cytometry. - 1987. - V. 8 - P.129-137.
7. Darzynkiewicz Z., Kapuscinski J., Traganos F., Crissman H.A. Application of pyronin Y(G) in cytochemistry of nucleic acids // Cytometry. - 1987. - V. 8 - P.138-145.
8. Lantukh Yu.D., Pashkevich S.N. et al. Spectroptical features of biopolymer DNA films - acridine orange // Optics and spectroscopy. - 2011. - Vol. 110. - №6. - P. 932-937.
9. Mayer G.V., Kopylova T.N. et al. Active polymer fibers with organic stain // Quantum electronics. - 2007. - Vol. 37. - №1. -P. 53-59.
10. Thin-film lasers based on dye-deoxyribonucleic acid-lipid complexes // Appl. Phys. Lett. - 2002. - V. 81. - P. 13721374.
11 Kawabe Y, Wang L., Horinouchi S., T., Ogata N. Amplified spontaneous emission from fluorescent-dye-doped DNA±surfactant complex films. // Adv. mater. - 2000. - 12. - No. 17. - P. 1281-1283.
12. Mysliwiec J., Sznitko L., et al. Lasing effect in a hybrid dye-doped biopolymer and photochromic polymer system // Applied physics letters. - 2010. - Vol. 96. - P. 141106-1 - 141106-3
