Жидкокристаллическое состояние низкомолекулярных двухцепочечных ДНК

Параллельно и практически независимо развивалось исследование конденсации двухцепочечных молекул ДНК, молекулярная масса которых не превышала 106 Да. Очевидно, что при использовании линейных, жестких молекул ДНК конденсация – это межмолекулярный процесс, в результате которого можно получить фазу (осадок) или изолированные частицы фазы (дисперсию) ДНК (рис. 1). Изучение свойств фазы, или дисперсии, существенно облегчается, поскольку имеются не только экспериментальные методы наблюдения за их образованием, но и параметры, позволяющие классифицировать фазы (дисперсии).

Рис. 1. Схематическое изображение линейных молекул ДНК (а), схема фазового исключения из водно-солевого раствора и частица холестерической жидкокристаллической дисперсии ДНК (б), расположение двухцепочечных молекул ДНК в слое холестерика (в) Б - диаметр холестерика, около 103 А, Р - шаг спиральной закрутки холестерика (данные С.Г. Скуридина)

В 1961 г. физикохимик К. Робинсон, исследуя при помощи поляризационного микроскопа свойства тонкого слоя концентрированного раствора ДНК, наблюдал характерную картину, известную под названием "текстура отпечатков пальцев", которая аналогична текстуре тонких слоев растворов поли-γ-бензил-L-глютамата в органических растворителях. Опасаясь присутствия белковых примесей в растворе, Робинсон осторожно сформулировал предположение о том, что молекулы ДНК в концентрированных растворах могут находиться в жидкокристаллическом (мезофазном) состоянии. Позднее были проведены микроскопические и рентгенографические исследования, которые не только подтвердили это предположение, но и доказали множественность фаз молекул ДНК длиной около 500 Å, возникающих при фазовом исключении в разных условиях.

Фрагменты двухцепочечной ДНК длиной около 500 Å ведут себя в водно-солевых растворах как жесткие стержни. Поскольку в водно-солевых растворах умеренной ионной силы (~ 0.1 М NаСl) среднее значение эффективного диаметра (Б) ДНК близко к 50 Å, у молекулы длиной L ~ 500 Å аксиальное отношение (L/D) составляет примерно 10. Согласно расчетам, жесткие молекулы, обладающие такими параметрами, стремятся к образованию упорядоченной фазы при концентрировании. Фазовый переход ДНК удовлетворительно описывается в рамках теории П. Флори для жесткоцепных полимеров.

Обобщив результаты, полученные многими исследователями, выделим основные фазы, наблюдаемые при концентрировании двухцепочечных молекул ДНК (таблица). При некоторой, так называемой критической, концентрации молекулы ДНК спонтанно конденсируются, формируя фазу с характерным расстоянием между молекулами от 51 до 30 Å. Две особенности присущи этой фазе. Как следует из рентгенограмм, молекулы ДНК в образующейся фазе упорядочены, однако трехмерный порядок в их расположении отсутствует, то есть для фазы характерны свойства одномерного кристалла. В то же время фаза обладает текучестью, и соседние молекулы ДНК сохраняют присущие им некоторые диффузионные степени свободы, то есть для фазы характерны свойства жидкости. Именно сочетание этих двух разных особенностей позволяет использовать термин лиотропная "жидкокристаллическая" для обозначения фазы, возникающей в результате концентрирования ДНК.

Рис. 2. Текстура тонкого слоя холестерической фазы, образованной двухцепочечными молекулами ДНК Изображение в поляризованном свете (данные С.Г. Скуридина)

Молекулы ДНК в образующейся фазе упаковываются таким способом, что в ее структуре можно выделить "слои" из соседних молекул, причем вследствие присущей молекулам ДНК анизотропии (геометрической и оптической) соседние слои повернуты относительно друг друга на небольшой угол. В результате для возникающей жидкокристаллической фазы характерна спиральная закрутка пространственной структуры; такая фаза носит название "холестерической" . Именно в силу спиральной закрутки слоев холестерическая фаза обладает текстурой "отпечатков пальцев" (рис. 2).

В данном случае термин "холестерическая" имеет лишь исторический смысл; этот термин был введен в 1922 г. Г. Фриделем для обозначения одного из классов жидких кристаллов, к которому относились, главным образом, производные холестерина. Особенность этого класса жидких кристаллов состоит в том, что в каждом последуем слое длинные оси молекул повернуты на небольшой угол по отношению к предыдущему, что приводит к образованию макроскопической спиральной структуры.

Интересен вопрос о направлении закрутки пространственной структуры холестерической фазы двухцепочечных молекул ДНК. Прямые измерения оптических свойств концентрированных растворов ДНК при помощи так называемого клина Гранжана-Кано показали, что при концентрации около 200 мг/мл правоспиральные двухцепочечные молекулы ДНК формируют холестерик, в котором соседние слои закручены влево. Обычно говорят, что правые молекулы ДНК образуют холестерик с левой закруткой пространственной структуры. Отметим, что параметры вторичной структуры спиральной молекулы ДНК (расстояние между парами оснований и их ориентация относительно осей молекулы ДНК) практически не меняются при возникновении жидкокристаллической фазы. Величина шага спиральной закрутки холестерика из молекул ДНК увеличивается по мере роста концентрации ДНК, то есть при переходе от холестерической к гексагональной фазе происходит раскрутка пространственной структуры холестерической фазы ДНК, но не спирали ДНК.

Таким образом, доказано, что жесткие двухцепочечные молекулы ДНК в процессе межмолекулярной конденсации образуют упорядоченные жидкокристаллические и кристаллические фазы. Следует обратить внимание на то, что приготовление концентрированных растворов ДНК с фиксированными свойствами - трудная экспериментальная задача, а сам процесс формирования жидкокристаллических фаз в такой системе может длиться недели и даже месяцы.

Сколько-нибудь последовательная и полная теории фаз, образуемых жесткими молекулами типа двухцепочечной ДНК, еще не создана, что объясняется сложностью как структуры самих молекул, так и характера их взаимодействия друг с другом и с растворителем. Если в процессе формирования жидких кристаллов низкомолекулярных соединений растворитель играет довольно пассивную роль, выступая только как переносчик электростатических или дисперсионных взаимодействий, то в случае ДНК, образующих жидкокристаллические фазы, ситуация другая. Взаимодействия молекул ДНК и растворителя, ответственные за образование жидкого кристалла, по определению не локальны, поскольку физически всегда связаны с пространственной дисперсией диэлектрических свойств. Однако эта нелокальность становится существенной лишь для сегментов ДНК длиной порядка 100 пар нуклеотидов, сильно взаимодействующих с молекулами воды. Высказано предположение, согласно которому упаковка молекул ДНК связана не только с анизотропными свойствами молекул ДНК, сближающимися в процессе фазового исключения, но и со свойствами находящихся между ними молекул воды. Роль воды в стабилизации и "отражении" вторичной структуры ДНК долгое время остается предметом теоретических и экспериментальных исследований.

Что касается применения жидкокристаллических фаз ДНК для решения практических задач, то нужно отметить следующее. Несмотря на простоту самого процесса концентрирования, длительность достижения равновесного состояния, а также зависимость образования фазы от множества трудно учитываемых факторов резко ограничивают возможность практического использования этих фаз.