Введение к работе
Актуальность темы. Тема настоящей работы, посвященной )рмированию и исследованию структуры мультислоиных пленок )мплексов нуклеиновых кислот с катионными амфифильными молекулами
поликатионами, находится в фокусе целого ряда как ащаментальных проблем биофизики, молекулярной биологии и 1ДИЦИНЫ, так и прикладных разработок - создание новых юсенсоров, специфических сорбентов и ион-селективных мембран.
Фундаментальные задачи биофизики в этой области связаны, нпервых, с выяснением пространственной организации и 'нкционирования комплексов ДНК с гистонами, протаминами и другими иовными белками,во-вторых, с изучением нуклеиново-липидных ;аимодействий, необходимого, в частности, для понимания структуры функции ДНК-мембранного контакта. Алифатические амины и их алкилзамещенные в отличии от природных липидов имеют более остоэ молекулярное строение. В них существенно легче :ентифицировать группы и типы взаимодействий, ответственные за разование комплекса с нуклеиновами кислотами. Результаты следования этих систем и развитые при этом методы и подходы гут быть впоследствии использованы для изучения комплексов клеиновая кислота - природный лигшд.
Интерес со стороны молекулярной биологии и медицины в этой ласти обусловлен тем, что природные и синтетические нуклеиновые слоты, образовавшие комплекс с амфифильными молекулами, иобретают особые свойства, позволяющие им проходить через эточные мембраны. Увеличение проникновения нуклеиновых кислот возь клеточные мембраны способствует решению таких вдаменталышх задач медицины как, например, блокирование врежденных генов или замена их нормальными.
Использование мультислоиных пленок для исследования зимодействия нуклеиновых кислот с катионными амфифильными яекулами и поликатионами имеет ряд преимуществ по сравнению с Пением этих комплексов в растворе (в таких системах как мицелла зерхлостно-активного вещества - полинуклеотид и полиамин -яивуклеотид). Эти преимущества заключаются в возможности
привлечения прямых методов структурного анализа - рентгеновская электронная дифракция, эллшсометрия и сканирующая туннельш микроскопия. Использование ИК-спектроскопии также более-эффекта» при исследовании пленок, чем растворов.
Целью работы являлось формирование и исследование структур мультислойных пленок комплексов нуклеиновых кислот с катионнш. амфифильннми молекулами и поликатионами. В связи с этим были поставлены следующие основные задачи:
1. Разработать методы формирования мультислойннх плене
комплексов нуклеиновых кислот с кагионными амфифильнкми молекула?,
(алифатическими аминами, и их N-алкилзамещенными) и поликагиснаг,
(полиалиламин, полиэтияенимин,-поли-1-лизин и поли-1-аргинин).
2. Исследовать структуру мультислойных ленгмюровских плене
комплексов нуклеиновых кислот с катионннми' амфифильшй
молекулами. Идентифицировать группы и типы взаимодействие
ответствешше за образование комплексов нуклеиновых кислот
катионных амфифильных молекул. Выяснить конформацианное состоят
ДНК в этих пленках.
3. Исследовать мультислойные пленки комплексов ДНК
поликатионами. Определить конформанионное состояние нуклешюве
компоненты в этих пленках.
Для решения этих задач используются следующие MeToj формирования мультислойных пленок: ленгмюровская технология метод поочередной адсорбции разноименно заряженнъ полиэлектролитов. Структурные исследования проводятся метода?. малоуглового рентгеновского рассеяния, електронографії! элипсометрни, сканирующей тунельной микроскопии, УФ- к ИИ спектроскопии.
Научная новизна работы. Получен и исследован новый клас молекулярных систем, представляющий собой мультислойные плен* комплексов нуклеиновых кислот с катионннми амфифильныту молекулами, сформированные методом Ленгмюра-Блоджетт мультислойных пленок комплексов ДНК и поликатионоЕ сформировметодом поочередной адсорбции разноименно - заряженнъ полиэлектролитов.
Установлены структуры мультислойных ленгмюровских плене
эмплексов ДНК и полиуридиловой кислоты с алифатическими аминами, ззличащихся длиной углеводородной цепи, и с диоктадецилмметил-лмонием. Определено расположение углеводородных цепей в этих тешах. Идентифицированы группы. атомов и типы взаимодействий іределяющих комплексообразсваание нуклеиновых кислот и катионных «фифилышх молекул. Исследована гидратация этих пленок и выявлены штры связывания молекул вода. Обнаружено, что в этих пленках ДНК аходится в расплетенном состоянии в случае комплекса с тифатическими аминами и остается в двухспиральном, когда она змплексуэтся с его N-алкилзамещенным. Идентифицировано шформационое состояние ДНК е мультислойных пленках ее комплексов поликатионами. Выявлена неизвестная ранее способность NHg+-rpynn шкурентно связываться водородными связями с азотистыми яюваниями,- нарушая тем самым комплементарное связывание и шводя молекулу ДНК к расплетанию.
Практическое значение работы. Полученные мультислойные пленки,
держащие нуклеиновые кислоты, могут быть использованы в
юсенсорных устройствах на определенные нуклеотидныв
іследовательности, а такие на белки, специфически
іимодействущио с нуклеиновыми кислотами, и низкомолекулярные здества - интеркаляторы. Эти пленки и предложенные в работе 5тоды иммобилизации нуклеиновых кислот могут найти применение при їздании новых ионообменников с управляемой селективностью. )зультаты данной работы представляются важными при выяснении їханизма биологического действия алифатических аминов и их -лкилпроизводных, широко используемых в различных областях /дицины. Обнаруженный в работе факт .существования ДНК в ісплетенном состоянии в комплексе с алифатическим амином и в виде юйной спирали в комплексе с его N-алкиллроизводным, необходимо Еитнвать при развитюш различных подходов генной терапии, в ютности, усиления трансмембранного переноса ДНК при імшіексообразсваштя ДНК с катионннми амфифильными молекулами, інаруженная способность аминогруппы конкурировать за водородные іязи с комплементарными азотистыми основаниями может быть одним : важных принципов, определяющих структуру и функции комплексов К с пістонами, протамипами и др. основными белками.
Апробация работы. По теме диссертационной работы опубликоваї 9 печатных работ. Основные результаты диссертации докладывались і 6 европейской конференции по исследованию поверхностей ' раздела коллоидов (Грац, Австрия, 1992г.), на школе "Физика нуклеинові кислот" (Харьков, Украина, 1993г.), на 3 международной конференці по рентгеновскому и нейтронному исследованию поверхности (Дубнг Россия, 1993г.), на 6 международной конференции по организовать молекулярным пленкам (Труа-Ривьер, Канада, 1993г.), на ' ] международном биофизическом конгрессе (Будапешт, Венгрия, 1993г.; на семинарах "Ленгмюровские пленки и ансамбли амфифильных моле-Kyj (Институт Кристаллографии РАН, 1Э92-19Э4гг.) и на семинарг кафедры биофизики физического факультета МГУ (1933-1994гг.)
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, глав, выводов и списка цитированной литературы. Диссертащ: изложена на iS*u страницах, содержит Ч рисунков и 2. таблицы. Списс литературы включает fSS наименований.