Жидкокристаллические дисперсии двухцепочечных ДНК

С физико-химической точки зрения, интерес к жидкокристаллическим дисперсиям обусловлен тем, что свойства частиц дисперсий размером 100-1000 Å могут значительно отличаться от свойств, характерных для непрерывных фаз. Дело в том, что расположение молекул ДНК в слое задается осмотическим давлением растворителя, возможны и дефекты упаковки молекул ДНК в частицах. В результате упаковка молекул в частицах дисперсий, в принципе, может отличаться от упаковки молекул в жидкокристаллических фазах. С биологической точки зрения, свойства частиц жидкокристаллических дисперсий интересны потому, что такие частицы позволяют более точно описать свойства ДНК-содержащих вирусов или хромосом простейших. Для этих дисперсных систем микроскопического размера характерна не только упорядоченная, но и подвижная упаковка ДНК. С практической точки зрения, жидкокристаллические дисперсии привлекают внимание уникальным сочетанием физико-химических свойств молекул ДНК.

Рассмотрим свойства частиц дисперсной фазы, формируемой при смешении водно-солевых растворов ДНК с водно-солевыми растворами некоторых полимеров, в частности полиэтиленгликоля. При достижении критической концентрации полиэтиленгликоля происходит фазовое исключение молекул ДНК, приводящее к образованию дисперсии, частицы которой имеют микроскопический размер (диаметр порядка 103 Å). Вторичная структура ДНК и химическая реакционная способность азотистых оснований ДНК при фазовом исключении практически не меняются.

Рентгенографический анализ свидетельствует не только об упорядоченности молекул ДНК в частицах дисперсии, но и о том, что концентрация ДНК составляет около 200 мг/мл, то есть возможно образование холестерической фазы ДНК. Доказательство существования именно холестерической жидкокристаллической упаковки молекул ДНК в частицах дисперсии основано на появлении аномальной оптической активности в полосе поглощения так называемого внешнего хромофора. (Это растворенные в расплавах термотропных холестериков молекулы окрашенного соединения, которые определенным образом ориентируются в слоях холестерической структуры).

В структуре двухцепочечных молекул ДНК имеются хромофоры (азотистые основания, поглощающие в ультрафиолетовой области спектра), которые достаточно жестко фиксированы: угол наклона оснований по отношению к длинной оси молекул ДНК - около 90°. Если при фазовом исключении образуются частицы со слоевой упаковкой молекул ДНК (см. рис. 1), то это означает, что азотистые основания также определенным образом ориентированы в слое из соседних молекул ДНК. Поэтому можно ожидать появления в спектре кругового дихроизма аномальной полосы в области поглощения азотистых оснований только при холестерической упаковке соседних молекул ДНК в образующихся при фазовом исключении частицах жидкокристаллической дисперсии.

Расчеты позволили уточнить условия (шаг спиральной структуры холестерика, размер частиц дисперсии и т. д.), при которых аномальная полоса может быть зарегистрирована экспериментально. Проведенные опыты обнаружили ее в спектрах кругового дихроизма жидкокристаллических дисперсий ДНК (рис. 3). Этот результат свидетельствует, что в частицах дисперсии жесткие анизотропные молекулы ДНК реализуют свое потенциальное стремление к холестерическому способу упаковки. Очевидно, что формирование дисперсий из одноцепочечных молекул нуклеиновых кислот, для которых характерна нежесткая ориентация азотистых оснований, не может привести к появлению аномальной полосы в спектрах кругового дихроизма.

Рис. 3. Спектры кругового дихроизма линейной В-формы ДНК (1), жидкокристаллической дисперсии ДНК (2) и жидкого кристалла ДНК (3)

Частицы холестерической дисперсии существуют только в определенном интервале осмотического давления растворителя, задаваемого, например, концентрацией полиэтиленгликоля в растворе. Выход за нижний предел приводит к изотропному состоянию, выход за верхний предел – к гексагональной упаковке молекул ДНК в частицах дисперсии. В ходе обоих процессов исчезает аномальная оптическая активность, что свидетельствует о весьма подвижной пространственной организации холестерика ДНК. Поскольку холестерические жидкокристаллические дисперсии ДНК формируются в водно-полимерных растворах, имеющих определенное осмотическое давление и диэлектрическую постоянную, направление закрутки пространственной холестерической спирали зависит от свойств растворителя.

Взаимодействие биологически активных соединений с молекулами ДНК, входящими в состав частиц холестерической дисперсии, может менять свойства ДНК. Это, в свою очередь, означает, что при определенной структуре биологически активных молекул, взаимодействующих с ДНК, формирование дисперсий из комплексов "ДНК-биологически активное соединение" может сопровождаться изменением как величины амплитуды аномальной полосы в спектре кругового дихроизма, так и ее знака.

Модификация поверхности молекулы ДНК в результате действия физических или химических факторов, нарушающих однородность поверхности, влияет на способность молекул ДНК к образованию холестерических жидкокристаллических дисперсий. Таким образом, не только направление закрутки спирали исходной молекулы, но и свойства поверхности молекул нуклеиновых кислот имеют важное значение при определении характера их пространственной упаковки в жидкокристаллической дисперсии.

Если происходит встраивание (интеркаляция) окрашенных биологически активных соединений между парами оснований ДНК в составе частиц холестерической дисперсии, то в спектре кругового дихроизма следует ожидать появления двух аномальных полос. Одна из них будет по-прежнему расположена в области поглощения азотистых оснований ДНК (длина волны около 270 нм), другая - в области поглощения хромофоров биологически активного соединения (например, на длине волны 500 нм). Появление двух аномальных полос в спектре кругового дихроизма может быть объяснено только в том случае, если из молекул ДНК образуется жидкокристаллическая дисперсия, для частиц которой характерна холестерическая пространственная структура. В определенных условиях амплитуда полосы на длине волны 500 нм прямо пропорциональна концентрации молекул биологически активного соединения, связанных с ДНК, тогда как полоса на длине волны 270 нм остается практически неизменной; она может служить внутренним стандартом, характеризующим качество полученного холестерика.

Таким образом, свойства молекул ДНК и водно-полимерного раствора управляют свойствами частиц жидкокристаллических дисперсий. Как и в случае жидкокристаллических фаз, могут формироваться дисперсии с различной упаковкой. Однако упаковка молекул ДНК в частицах жидкокристаллических дисперсий легко регулируется, что сближает их поведение с поведением биологических объектов.