Присоединение биомолекул

К биомолекулам относятся многочисленные белки, липиды (жиры, жироподобные вещества), нуклеиновые кислоты и углеводы (сахара), вырабатываемые организмами, присутствующие в организмах и играющие важную роль в жизнедеятельности. Белки и липиды образую комплексы – липопротеины.

Белки – высокомолекулярные органические соединения, построенные из остатков аминокислот, включенных в полипептидную цепь. Белки подразделяются на структурные, каталитические (ферменты, иначе энзимы, биокатализаторы), транспортные (гемоглобин, альбумин), регуляторные (некоторые гормоны), защитные (антитела, или иммуноглобулины, Ig) и др.

Аминокислоты включают 20 соединений различного состава (аланин, валин, глицин, лейцин, лизин и др.), каждое из которых содержит одну или две аминогруппы и одну или две карбоксильных группы.

Антитела – сложные белки, главным образом гликопротеиды, которые яаляются компонентом иммунной системы, специфически связываются с чужеродными веществами (антигенами) и используются для выявления антигенов. Антиген – вещество (белок или полисахарид), вызывающее у животных иммунный ответ, т. е. образование антител.

Биополимеры – это прежде всего белки и нуклеиновые кислоты (полинуклеотиды), состоящие из мономерных нуклеотидов, т. е. соединений фосфорных эфиров, азотистых оснований и специфических углеводов (рибоза или дезоксирибоза). ДНК – дезоксирибонуклеиновая кислота, содержащая дезоксирибозу и четыре азотистых основания – аденин, гуанин, цитозин и тимин, построенная из двух спиральных полинуклеотидных цепей. РНК – рибонуклеиновая кислота, содержащая рибозу и те же азотистые основания, построенная в основном из однониточной полинуклеотидной цепи.

Количество нуклеотидов в ДНК и РНК может достигать 10 тыс. Молекулы с относительно небольшим числом нуклеотидов (2–20) называют олигонуклеотидами.

Присоединение биомолекул к УНТ (модифицирование) перспективно для нескольких практических применений (см. разд. 6.3) и находится в начальной стадии исследований и разработок.

Модифицирование УНТ биомолекулами и биополимерами может быть проведено различными путями: введением биомолекул во внутреннюю полость открытых трубок (например, ДНК или сложного белка, способного переносить электрон цитохрома С, см. разд. 4.8), адсорбцией биомолекул на сростках УНТ, присоединением биомолекул к кончикам раскрытых УНТ или к их боковой поверхности (Кац, Вилнер, 2004).

Присоединение может быть ковалентным и нековалентным (электростатическое или гидрофобное взаимодействие, образование водородных связей и др.). Поверхность УНТ, как уже было показано выше, легко сделать гидрофильной или гидрофобной.

Нековалентное присоединение биомолекул может быть неспецифическим и специфическим. Так, неспецифическим способом связывается с ОУНТ, например, фермент оксидаза глюкозы и низкомолекулярный белок стрептавидин (применяется в антираковой терапии).

Простое погружение подложки с выращенными на ней УНТ на 1 ч в фосфатный буфер, содержащий 0.7 мг/л стрептавидина, и последующая промывка водой приводит к покрытию трубок белком за счет гидрофобного взаимодействия.

Сродство к ОУНТ в водном растворе проявляет ферритин (сложный белок, содержащий 24 составные единицы, а также Fe³⁺ и выполняющий функцию накопления железа в организме).

Проведена иммобилизация на УНТ Zn₂Cd₅-металлопротеина, авидина, белка стафилококка SpA, α-глюкозидазы.

Степень покрытия УНТ определяется концентрацией биомолекул, качеством подготовки дисперсии трубок, длительностью взаимодействия и характером предварительной обработки ПАВ. Такие ПАВ, как Твин-20 и Плюроник Р-103 (см. разд. 4.7), полностью подавляют присоединение белков к УНТ.

Неспецифическое взаимодействие олигонуклеотидов с УНТ благодаря повышению концентрации компонентов на поверхности трубок может усилить полимеразные цепные реакции.

Неспецифическое связывание стрептавидина подавляется путем покрытия УНТ полиэтиленгликолем, которое протекает более полно при предварительном взаимодействии трубок с ТХ-100 (см. разд. 4.7).

Для специфического связывания стрептавидина используют полиэтиленгликоль, содержащий концевые аминные группы, к которым присоединяют биотин (водорастворимый витамин Н, содержащий карбоксильную группу), а к биотину – стрептавидин.

Прочность неспецифической связи белков зависит от их молекулярной массы, ослабляясь при ее повышении, а также от характера связи (водородная, ван-дер-ваальсова или др.).

Оксидаза глюкозы (глюкозооксидаза) самопроизвольно адсорбируется на прокаленной в инертной среде нанобумаге из ОУНТ. Особую роль здесь играет такое бифункциональное вещество, как сукцинимидиловый эфир 1-пиренбутановой кислоты (рис. 80). Молекулы этого вещества содержат пиреновую группу, способную в органических растворах (диметилформамид, метанол) необратимо связываться с поверхностью УНТ. Обладающая выраженными ароматическими свойствами пиреновая группа взаимодействует с базальной плоскостью графита за счет нековалентного π-связывания и по тому же механизму с УНТ. Присоединенные молекулы прочно удерживаются в водных растворах.

Для дальнейшей функциализации используют эфирную группу, которая легко подвергается нуклеофильному замещению при реакциях с первичными и вторичными аминами. При контакте с белками образуется ковалентная связь с аминогруппами белков, в частности с лизином. Такой прием используют для иммобилизации на УНТ большого числа белков.

Специфическое связывание может различаться по природе (специфическое по месту присоединения, по последовательности групп в цепи, по виду частиц и др.), часто предполагает совпадение структурных мотивов и определенную избирательность взаимодействия. Некоторым белкам свойственно специфическое связывание с немодифицированными УНТ. К ним относятся, например, моноклональные антитела IgG, содержащие молекулы фуллерена С₆₀. Специфическое сродство в этом случае обусловлено структурным подобием ОУНТ и фуллерена.

Специфичность взаимодействия может быть использована двумя путями: для разделения и узнавания белков или для разделения и узнавания при взаимодействии с отличающимися по строению и составу функциональных групп УНТ.

Исследование взаимодействия бактериофагов (вирусов бактерий), отличающихся строением белковой оболочки, с УНТ в буферном растворе показало, что они заметно отличаются по способности к специфическому связыванию, а относительная активность меняется при использовании различных ПАВ. Это позволяет рассчитывать на использование УНТ для разделения белков или белков для разделения УНТ различного типа.

Биополимеры, например спиральный фермент амилаза или олигонуклеотиды, могут обволакивать УНТ. Такое обволакивание, а также самосборка биомолекул (липидные производные) на поверхности трубок способствуют их солюбилизации, позволяют собирать из них те или иные структуры, а также вытягивать макроволокна с упорядоченно уложенными трубками.

Нековалентное связывание УНТ с ДНК использовано для матричной укладки трубок на подложке.

Сначала к функциализованной Si-подложке привязывали двухниточные λ-ДНК, затем вводили бифункциональный реагент гидрохлорид 1-пиренметиламина, который связывался с ДНК за счет электростатического взаимодействия и с УНТ вследствие наличия у него пиреновой группы.

Солюбилизирующее действие ДНК было использовано для получения пленок двухниточной ДНК–ОУНТ на кварцевой подложке. Для этого подложку поочередно погружали в два различных раствора ДНК–ОУНТ.

Ковалентное связывание биомолекул основано на реакциях тех же видов, какие были рассмотрены в разд. 4.3 и 4.5. Карбоксильные группы (см. разд. 4.3) на кончиках или боковых поверхностях УНТ могут присоединять белки, нуклеиновые кислоты, различные олигонуклеотиды ДНК и сахара, функциализованные аминогруппами за счет взаимодействия с карбодиимидом.

Этот метод применялся, в частности, для присоединения ферритина и бычьего сывороточного альбумина, которые образовывали однородный субмономолекулярный слой. Таким методом УНТ функциализовали олигонуклеотидами, помеченными флуоресцеином, что позволяло наблюдать их с помощью конфокального микроскопа.

Термин «конфокальный» равнозначен «имеющий тот же фокус» и применяется к флуоресцентным микроскопам. Одинаковый фокус объекта и его конечного изображения обеспечивается путем отфильтровывания с помощью точечной диафрагмы деталей, находящихся не в фокусе. Возбуждение флуоресценции обычно проводится сканирующим лучом лазера, изображение формируется чувствительным детектором с фотоумножителем и микрокомпьютером. Принцип устройства микроскопа был предложен в 1957 г.

Аминогруппы УНТ при взаимодействии с гетеробифункциональными линкером (связующим реагентом) 4-(N-малеимидометил)циклогексан-1-карбоксилатом позволяют получить привитые концевые малеилимидные группы, а к этим группам ковалентно присоединяют молекулы ДНК, модифицированные тиоловыми группами.

Биомолекулы использовались для удлинения ОУНТ. К функциализованным карбоксильными группами трубкам присоединяли β-галактозид, содержащий концевые амино-группы, а молекулы моносахарида связывали между собой особым растительным белком – лектином (фитоагглютинин).

Такая операция может быть составной частью технологии изготовления интегральных схем.

Функциализация УНТ биомолекулами может проводиться с помощью электрохимических реакций.

Вопросы и задания к главе 4

1. Раскройте понятие «химия углеродных нанотрубок».

2. Какие химические реакции используются для раскрытия и разрезания углеродных нанотрубок? Какие из них можно отнести к наиболее распространенным?

3. В чем состоит роль озвучивания при проведении реакций с углеродными нанотрубками?

4. Опишите основные виды химической функциализации углеродных нанотрубок.

5. Каковы состав и поведение при нагревании кислородсодержащих функциональных групп на углеродных нанотрубках, как их идентифицируют?

6. Напишите уравнения основных химических реакций карбоксильных и ацилхлоридных функциональных групп на поверхности углеродных нанотрубок.

7. Расскажите об особенностях фторирования углеродных нанотрубок и свойствах фторированных трубок.

8. Каковы особенности функциализации углеродных нанотрубок с помощью карбенов и нитренов?

9. Назовите основные методы солюбилизации углеродных нанотрубок.

10. Какие приемы используются для заполнения внутренней полости углеродных нанотрубок?

11. Перечислите химические реакции, которые можно проводить в полости углеродных нанотрубок.

12. Каким путем производят замещение углеродных атомов в нанотрубках?

13. В чем отличительные особенности соединений углеродных нанотрубок типа «гость-хозяин»?

14. Рассмотрите свойства углеродных нанотрубок как сорбентов.

15. Каковы пути декоририрования углеродных нанотрубок?

16. Какие процессы лежат в основе самосборки углеродных нанотрубок?

17. Охарактеризуйте методы присоединения биомолекул к углеродным нанотрубкам.