Взаимодействие ультрамалых наночастиц золота с жидкокристаллическими микрочастицами ДНК: разрушение vs стабилизация

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Исследована взаимосвязь между деструктивным и стабилизирующим действием синтезированных по методу Даффа ультрамалых наночастиц золота (НЧЗ) по отношению к внутренней структуре частиц жидкокристаллических дисперсий (ЖКД) ДНК в зависимости от степени упорядоченности последних. Показано, что “стабилизация” упорядоченной структуры частиц фактически оказывается следствием ее “разрушения”. При этом доминирование того или другого эффекта сложным образом зависит от расстояния между соседними молекулами ДНК в частицах ее ЖКД, определяемого осмотическими условиями, и эффективностью проникновения НЧЗ в эти частицы.

Full Text

Restricted Access

About the authors

М. А. Колыванова

Институт биохимической физики им. Н. М. Эмануэля РАН; Федеральный медицинский биофизический центр им. А. И. Бурназяна ФМБА России

Email: morozov.v.n@mail.ru
Russian Federation, 119334, Москва, ул. Косыгина, 4; 123098, Москва, ул. Живописная, 46

М. А. Климович

Институт биохимической физики им. Н. М. Эмануэля РАН; Федеральный медицинский биофизический центр им. А. И. Бурназяна ФМБА России

Email: morozov.v.n@mail.ru
Russian Federation, 119334, Москва, ул. Косыгина, 4; 123098, Москва, ул. Живописная, 46

Е. М. Шишмакова

Институт физической химии и электрохимии им. А. Н. Фрумкина РАН

Email: morozov.v.n@mail.ru
Russian Federation, 119071, Москва, Ленинский просп., 31, корп. 4

А. А. Маркова

Институт биохимической физики им. Н. М. Эмануэля РАН

Email: morozov.v.n@mail.ru
Russian Federation, 119334, Москва, ул. Косыгина, 4

О. В. Дементьева

Институт физической химии и электрохимии им. А. Н. Фрумкина РАН

Email: morozov.v.n@mail.ru
Russian Federation, 119071, Москва, Ленинский просп., 31, корп. 4

В. М. Рудой

Институт физической химии и электрохимии им. А. Н. Фрумкина РАН

Email: morozov.v.n@mail.ru
Russian Federation, 119071, Москва, Ленинский просп., 31, корп. 4

В. А. Кузьмин

Институт биохимической физики им. Н. М. Эмануэля РАН

Email: morozov.v.n@mail.ru
Russian Federation, 119334, Москва, ул. Косыгина, 4

В. Н. Морозов

Институт биохимической физики им. Н. М. Эмануэля РАН

Author for correspondence.
Email: morozov.v.n@mail.ru
Russian Federation, 119334, Москва, ул. Косыгина, 4

References

  1. Hegmann T., Qi H., Marx V.M. Nanoparticles in liquid crystals: Synthesis, self-assembly, defect formation and potential applications // Journal of Inorganic and Organometallic Polymers and Materials. 2007. V. 17. P. 483–508. https://doi.org/10.1007/s10904-007-9140-5
  2. Stamatoiu O., Mirzaei J., Feng X. et al. Nanoparticles in liquid crystals and liquid crystalline nanoparticles. In: Tschierske C. (eds) Liquid Crystals. Topics in Current Chemistry, vol 318. Berlin: Springer, 2012. https://doi.org/10.1007/128_2011_233
  3. Smaisim G.F., Mohammed K.J., Hadrawi S.K. et al. Properties and application of nanostructure in liquid crystals: Review // BioNanoScience. 2023. V. 13. P. 819–839. https://doi.org/10.1007/s12668-023-01082-5
  4. Knight D.P., Vollrath F. Biological liquid crystal elastomers // Philosophical Transactions of the Royal Society B. 2002. V. 357. № 1418. P. 155–163. https://doi.org/10.1098/rstb.2001.1030
  5. Saleem S., Muhammad G., Iqbal M.M. et al. Polysaccharide-based liquid crystals. In: Inamuddin, Ahamed M.I., Boddula R., Altalhi T. (eds) Polysaccharides: Properties and applications. Hoboken: Wiley, 2021. https://doi.org/10.1002/9781119711414.ch27
  6. Brandes R., Kearns D.R. Magnetic ordering of DNA liquid crystals // Biochemistry. 1986. V. 25. № 20. P. 5890–5895. https://doi.org/10.1021/bi00368a008
  7. Strzelecka T.E., Davidson M.W., Rill R.L. Multiple liquid crystal phases of DNA at high concentrations // Nature. 1998. V. 331. P. 457–460. https://doi.org/10.1038/331457a0
  8. Livolant F., Maestre M.F. Circular dichroism microscopy of compact forms of DNA and chromatin in vivo and in vitro: Cholesteric liquid-crystalline phases of DNA and single dinoflagellate nuclei // Biochemistry. 1988. V. 27. № 8. P. 3056–3068. https://doi.org/10.1021/bi00408a058
  9. Zakharova S.S., Jesse W., Backendorf C. et al. Liquid crystal formation in supercoiled DNA solutions // Biophysical Journal. 2002. V. 83. № 2. P. 1119–1129. https://doi.org/10.1016/s0006-3495(02)75235-1
  10. Nakata M., Zanchetta G., Chapman B.D. at el. End-to-end stacking and liquid crystal condensation of 6 to 20 base pair DNA duplexes // Science. 2007. V. 318. № 5854. P. 1276–1279. https://doi.org/10.1126/science.1143826
  11. Olesiak-Banska J., Gordel M., Matczyszyn K. et al. Gold nanorods as multifunctional probes in a liquid crystalline DNA matrix // Nanoscale. 2013. V. 5. P. 10975–10981. https://doi.org/10.1039/c3nr03319h
  12. De Sio L., Annesi F., Placido T. et al. Templating gold nanorods with liquid crystalline DNA // Journal of Optics. 2015. V. 17. № 2. P. 025001. https://doi.org/10.1088/2040-8978/17/2/025001
  13. Brach K., Matczyszyn K., Olesiak-Banska J. et al. Stabilization of DNA liquid crystals on doping with gold nanorods // Physical Chemistry Chemical Physics. 2016. V. 18. P. 7278–7283. https://doi.org/10.1039/c5cp07026k
  14. Brach K., Olesiak-Banska J., Waszkielewicz M. et al. DNA liquid crystals doped with AuAg nanoclusters: One-photon and two-photon imaging // Journal of Molecular Liquids. 2018. V. 259. P. 82–87. https://doi.org/10.1016/j.molliq.2018.02.108
  15. Jordan C.F., Lerman L.S., Venable J.H. Structure and circular dichroism of DNA in concentrated polymer solutions // Nature: New Biology. 1972. V. 236. № 64. P. 67–70. https://doi.org/10.1038/newbio236067a0
  16. Earnshaw W.C., Casjens S.R. DNA packaging by the double-stranded DNA bacteriophages // Cell. 1980. V. 21. № 2. P. 319–331. https://doi.org/10.1016/0092-8674(80)90468-7
  17. Yevdokimov Y.M., Skuridin S.G., Salyanov V.I. The liquid-crystalline phases of double-stranded nucleic acids in vitro and in vivo // Liquid Crystals. 1988. V. 3. № 11. P. 1443–1459. https://doi.org/10.1080/02678298808086687
  18. Livolant F. Ordered phases of DNA in vivo and in vitro // Physica A: Statistical Mechanics and its Applications. 1991. V. 176. № 1. P. 117–137. https://doi.org/10.1016/0378-4371(91)90436-g
  19. Попенко В.И., Леонова О.Г., Салянов В.И. и др. Динамика проникновения “твердых” наноконструкций на основе комплексов двухцепочечной ДНК с гадолинием в клетки CHO // Молекулярная биология. 2013. Т. 47. № 5. С. 853–860. https://doi.org/10.7868/s0026898413050170
  20. Скуридин С.Г., Верещагин Ф.В., Гусев В.М. и др. Использование частиц холестерической жидкокристаллической дисперсии ДНК в качестве биодатчика для определения наличия и концентрации доксорубицина в растворах и плазме крови // Жидкие кристаллы и их практическое использование. 2020. Т. 20. № 3. С. 80–91. https://doi.org/10.18083/lcappl.2020.3.80
  21. Колыванова М.А., Лифановский Н.С., Никитин Е.А. и др. О новом подходе к изучению и оценке эффективности ДНК-специфичных радиопротекторов // Химия высоких энергий. 2024. Т. 58. № 1. В печати
  22. Скуридин С.Г., Дубинская В.А., Рудой В.М. и др. Действие наночастиц золота на упаковку молекул ДНК в модельных системах // Доклады Академии наук. 2010. Т. 432. № 6. С. 838–841.
  23. Скуридин С.Г., Дубинская В.А., Штыкова Э.В. и др. Фиксация наночастиц золота в структуре квазинематических слоев, образованных молекулами ДНК // Биологические мембраны. 2011. Т. 28. № 3. С. 191–198
  24. Евдокимов Ю.М., Салянов В.И., Кац Е.И. и др. Кластеры из наночастиц золота в квазинематических слоях частиц жидкокристаллических дисперсий двухцепочечных нуклеиновых кислот // Acta Naturae. 2012. Т. 4. № 4 (15). С. 80–93.
  25. Евдокимов Ю.М., Штыкова Э.В., Салянов В.И. и др. Линейные кластеры из наночастиц золота в квазинематических слоях частиц жидкокристаллических дисперсий ДНК // Биофизика. 2013. Т. 58. № 2. С. 210–220.
  26. Скуридин С.Г., Салянов В.И., Попенко В.И. и др. Структурные эффекты, вызываемые наночастицами золота в частицах холестерических жидкокристаллических дисперсий двухцепочечных нуклеиновых кислот // Химико-фармацевтический журнал. 2013. Т. 47. № 2. С. 3–11. https://doi.org/10.30906/0023-1134-2013-47-2-3-11
  27. Евдокимов Ю.М., Скуридин С.Г., Салянов В.И. и др. Наночастицы золота влияют на “узнавание” двухцепочечных молекул ДНК и запрещают формирование их холестерической структуры // Жидкие кристаллы и их практическое использование. 2014. Т. 14. № 4. С. 5–21.
  28. Евдокимов Ю.М., Скуридин С.Г., Салянов В.И. и др. Новый нанобиоматериал – частицы жидкокристаллических дисперсий ДНК со встроенными кластерами из наночастиц золота // Российские нанотехнологии. 2014. Т. 9. № 3–4. С. 82–89.
  29. Морозов В.Н., Климович М.А., Колыванова М.А. и др. Взаимодействие наночастиц золота с цианиновыми красителями в холестерических субмикрочастицах ДНК // Химия высоких энергий. 2021. Т. 55. № 5. С. 339–346. https://doi.org/10.31857/s0023119321050089
  30. Колыванова М.А., Климович М.А., Дементьева О.В. и др. Взаимодействие наночастиц золота с цианиновыми красителями в холестерических субмикрочастицах ДНК. Влияние способа их введения в систему // Химическая физика. 2023. Т. 42. № 1. С. 64–72. https://doi.org/10.31857/s0207401x23010065
  31. Климович М.А., Колыванова М.А., Дементьева О.В. и др. Влияние старения ультрамалых наночастиц золота на их взаимодействие с холестерическими микрочастицами ДНК // Коллоидный журнал. 2023. Т. 85. № 5. С. 583–592. https://doi.org/10.31857/s0023291223600542
  32. Morozov V.N., Klimovich M.A., Shibaeva A.V. et al. Optical polymorphism of liquid–crystalline dispersions of DNA at high concentrations of crowding polymer // International Journal of Molecular Sciences. 2023. V. 24. № 14. P. 11365. https://doi.org/10.3390/ijms241411365
  33. López Zeballos N.C., Gauna G.A., García Vior M.C. et al. Interaction of cationic phthalocyanines with DNA. Importance of the structure of the substituents // Journal of Photochemistry and Photobiology B: Biology. 2014. V. 136. P. 29–33. https://doi.org/10.1016/j.jphotobiol.2014.04.013
  34. Morozov V.N., Kolyvanova M.A., Dement’eva O.V. et al. Fluorescence superquenching of SYBR Green I in crowded DNA by gold nanoparticles // Journal of Luminescence. 2020. V. 219. P. 116898. https://doi.org/10.1016/j.jlumin.2019.116898
  35. Morozov V.N., Kolyvanova M.A., Dement’eva O.V. et al. Comparison of quenching efficacy of SYBR Green I and PicoGreen fluorescence by ultrasmall gold nanoparticles in isotropic and liquid-crystalline DNA systems // Journal of Molecular Liquids. 2021. V. 321. P. 114751. https://doi.org/10.1016/j.molliq.2020.114751
  36. Dragan A.I., Pavlovic R., McGivney J.B. et al. SYBR Green I: Fluorescence properties and interaction with DNA // Journal of Fluorescence. 2012. V. 22. № 4. P. 1189–1199. https://doi.org/10.1007/s10895-012-1059-8
  37. Duff D.G., Baiker A., Edwards P.P. A new hydrosol of gold clusters // Journal of the Chemical Society, Chemical Communications. 1993. № 1. P. 96–98. https://doi.org/10.1039/c39930000096
  38. Duff D.G., Baiker A., Edwards P.P. A new hydrosol of gold clusters. 1. Formation and particle size variation // Langmuir. 1993. V. 9. № 9. P. 2301–2309. https://doi.org/10.1021/la00033a010
  39. Duff D.G., Baiker A., Gameson I., Edwards P.P. A new hydrosol of gold clusters. 2. A comparison of some different measurement techniques // Langmuir. 1993. V. 9. № 9. P. 2310–2317. https://doi.org/10.1021/la00033a011
  40. Морозов П.А., Ершов Б.Г., Абхалимов Е.В. и др. Влияние озона на плазмонное поглощение гидрозолей золота: Квазиметаллические и металлические наночастицы // Коллоидный журнал. 2012. Т. 74. № 4. С. 522–529.
  41. Дементьева О.В., Карцева М.Е., Сухов В.М. и др.Температурно-временная эволюция ультрамалых затравочных наночастиц золота и синтез плазмонных нанооболочек // Коллоидный журнал. 2017. Т. 79. № 5. С. 562–568. https://doi.org/10.7868/S0023291217050056
  42. Карцева М.Е., Шишмакова Е.М., Дементьева О.В. и др. Рост фосфониевых наночастиц золота в щелочной среде: Кинетика и механизм процесса // Коллоидный журнал. 2021. Т. 83. № 6. С. 644–650. https://doi.org/10.31857/s0023291221060057
  43. Zimbone M., Baeri P., Calcagno L. et al. Dynamic light scattering on bioconjugated laser generated gold nanoparticles // PLoS One. 2014. V. 9. № 3. P. e89048. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0089048
  44. Alba-Molina D., Martín-Romero M.T., Camacho L. et al. Ion-mediated aggregation of gold nanoparticles for light-induced heating // Applied Sciences. 2017. V. 7. № 9. P. 916. https://doi.org/10.3390/app7090916
  45. Keller D., Bustamante C. Theory of the interaction of light with large inhomogeneous molecular aggregates. II. Psi-type circular dichroism // The Journal of Chemical Physics. 1986. V. 84. № 6. P. 2972–2980. https://doi.org/10.1063/1.450278
  46. Евдокимов Ю.М. Наночастицы золота и жидкие кристаллы ДНК // Вестник Московского университета. Серия 2: Химия. 2015. Т. 56. № 3. С. 147–157.
  47. Евдокимов Ю.М., Салянов В.И., Семенов С.В. и др. Жидкокристаллические дисперсии и наноконструкции ДНК. Москва: Радиотехника. 2008.
  48. Yevdokimov Y.M., Skuridin S.G., Semenov S.V. et al. Re-entrant cholesteric phase in DNA liquid-crystalline dispersion particles // Journal of Biological Physics. 2017. V. 43. № 1. P. 45–68. https://doi.org/10.1007/s10867-016-9433-4
  49. Ramos J.E.B., de Vries R., Neto J.R. DNA psi-condensation and reentrant decondensation: Effect of the PEG degree of polymerization // The Journal of Physical Chemistry B. 2005. V. 109. № 49. P. 23661–23665. https://doi.org/10.1021/jp0527103
  50. Oh Y.S., Park J.H., Han S.W. et al. Retained binding mode of various DNA-binding molecules under molecular crowding condition // Journal of Biomolecular Structure and Dynamics. 2018. V. 36. № 12. P. 3035–3046. https://doi.org/10.1080/07391102.2017.1375992
  51. Евдокимов Ю.М., Скуридин С.Г., Салянов В.И. и др. Множественность “возвратных” холестерических структур в жидкокристаллических дисперсиях ДНК // Успехи физических наук. 2021. Т. 191. № 9. С. 999–1015. https://doi.org/10.3367/ufnr.2020.09.038843
  52. Sakurai S., Jo K., Kinoshita H. et al. Guanine damage by singlet oxygen from SYBR Green I in liquid crystalline DNA // Organic & Biomolecular Chemistry. 2020. V. 18. P. 7183–7187. https://doi.org/10.1039/d0ob01723j
  53. Евдокимов Ю.М., Скуридин С.Г., Салянов В.И. и др. О пространственной организации двухцепочечных молекул ДНК в холестерической жидкокристаллической фазе и частицах этой фазы // Биофизика. 2015. Т. 60. № 5. С. 861–876.
  54. Евдокимов Ю.М., Скуридин С.Г., Салянов В.И. и др. Температурно-индуцированное изменение упаковки двухцепочечных линейных молекул ДНК в частицах жидкокристаллических дисперсий // Биофизика. 2016. Т. 61. № 3. С. 421–431.
  55. Livolant F., Leforestier A. Condensed phases of DNA: Structures and phase transitions // Progress in Polymer Science. 1996. V. 21. № 6. P. 1115–1164. https://doi.org/10.1016/s0079-6700(96)00016-0
  56. Евдокимов Ю.М., Салянов В.И., Скуридин С.Г. и др. Физико-химический и нанотехнологический подходы к созданию “твердых” пространственных структур ДНК // Успехи химии. 2015. Т. 84. № 1. С. 27–42.
  57. Евдокимов Ю.М., Першина А.Г., Салянов В.И. и др. Суперпарамагнитные наночастицы феррита кобальта “взрывают” упорядоченную пространственную упаковку двухцепочечных молекул ДНК // Биофизика. 2015. Т. 60. № 3. С. 428–436.
  58. Евдокимов Ю.М., Скуридин С.Г., Салянов В.И. и др. “Возвратная” холестерическая фаза ДНК. Оптика и спектроскопия. 2017. Т. 123. № 1. С. 64–79. https://doi.org/10.7868/80030403417070066

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Comparison of the introduced volume of NNP hydrosol and their final concentration in the system taking into account dilution.

Download (49KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. (a) Size distributions of GNPs constructed from dynamic light scattering (1) and TEM (2) data; inset: micrograph of these GNPs. (b) Absorption spectra of 10.45 × 10–8 M GNPs in distilled water (1) and buffer solution (2), as well as in buffer solution in the presence of 1.35 × 10–4 M DNA (3) or 18 wt. % PEG (4).

Download (189KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. CD spectra obtained by titration of DNA LCD with 18% PEG content with distilled water (a) or GNP sol (b). (c) Dependences of the peak intensity of the CD signal on the volume of water (1) or GNP sol (2) added to the DNA LCD. (d) Dependences of the decrement value calculated by formula (1) on the volume of liquid introduced into the system. The color legend is similar to that in (c). The red and green shading indicate the regions of destruction and stabilization of DNA LCD particles, respectively. All ΔA values ​​are normalized to the absolute value of the CD signal amplitude for the corresponding control sample. The standard deviations calculated from three independent measurements do not exceed 7% (c) and 14% (d).

Download (364KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. (a) CD spectra of systems with different PEG contents (wt.%): 1 – 0, 2 – 13.5, 3 – 16.5, 4 – 21, 5 – 22.5, 6 – 27. (b) Dependence of the CD signal amplitude on the PEG concentration in the system. Standard deviations calculated from three independent measurements do not exceed 7%. (c) Absorption spectra of systems with different PEG contents (wt.%): 1 – 0, 2 – 6, 3 – 12, 4 – 18, 5 – 24, 6 – 30.

Download (158KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. CD spectra and normalized absorption spectra of the initial DNA LCDs with different PEG contents (1) and the same systems after adding 200 μl of distilled water (2) or GNP sol (3; 19.33 × 10–8 M particles). PEG content (wt %): a, b – 15, c, d – 21, d, f – 27. The absorption spectra in each case were normalized to the corresponding peak value of optical density. The CD and absorption spectra of the isotropic DNA solution (4) indicated by the dotted line were used as a control.

Download (422KB)
Indexing metadata
7. Fig. 6. Micrographs of the initial DNA LCD samples formed with different PEG contents (top row) and the same systems after adding 200 µl of GNP sol (bottom row).

Download (214KB)
Indexing metadata
8. Fig. 7. Dependences of the peak intensity of the CD band normalized to the absolute value of the signal amplitude for the corresponding control sample (a, c, d) and the calculated δ values ​​(b, d, e) on the introduced volume of distilled water (1) and GNP hydrosol (2) in DNA LCDs with different PEG contents (wt.%): 15 (a, b), 21 (c, d), 27 (d, f). Standard deviations calculated from three independent measurements do not exceed 7% (a, c, d) and 14% (b, d, f).

Download (468KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences