Введение к работе
Актуальность проблемы. В настоящее время проводятся интенсивные поисковые исследования, направленные на разработку фундаментальных научных основ создания современных технологий получения и последующего производства новых фотоактивных наноразмерных материалов для широкого спектра применений в технике, медицине, фармацевтической промышленности и оптике, при создании новых методов визуализации биообъектов, для решения проблем в области информационной безопасности, биосенсорных технологий и др. Особое место среди них занимают фундаментальные исследования, направленные на изучение детальных механизмов взаимодействия света с модельными или природными биологическими наноразмерными объектами, как на уровне единичных молекул, так и в составе ансамблей.
Дизайн новых гибридных молекулярных структур, содержащих фотохромные фрагменты в качестве активного рабочего элемента и обладающих рядом полезных свойств, а также разработка новых эффективных методов их получения, представляют особый интерес для развития исследований в бионанотехнологии, бионанофотонике и наномедицине в связи с возможностью реализации обратимого фотоуправления биологическими процессами. Основная цель настоящей работы была сфокусирована на дизайне и разработке способов получения, включая комплексное исследование свойств и фотохромного поведения, новых гибридных фотоактивных материалов на основе биологических, органических и неорганических наноразмерных компонентов.
Для получения фотохромных систем с упорядоченными и заданными свойствами возможно использование нескольких подходов:
использование кристаллов фотохромных соединений;
получение моно- и полимолекулярных слоев с упорядочной структурой с помощью технологии Langmuir-Blodgett;
получение агрегатов и конъюгатов с поверхностно-активными веществами в виде мицелл, везикул и липосом;
допирование полимерной матрицы;
получение супрамолекулярных организованных структур и ансамблей за счет процессов самоорганизации и молекулярного распознавания.
Наиболее перспективный вариант, с точки зрения возможности технического и коммерческого использования, заключается в модификации разнообразных по природе субстратов при помощи известных методов ковалентной иммобилизации. Такая процедура маркирования путем ковалентной «посадки» фотохромных лигандов через линкеры различного размера и природы с терминальной реакционноспособной функциональной
1 В руководстве отдельных этапов работы, связанных с изучением спектрально-кинетических характеристик диарилэтенов, принимал участие зав. лаб., к.ф.-м.н. Барачевский В.А. (Центр фотохимии РАН)
группой позволяет получать новые целевые гибридные фотоактивные/фотоуправляемые системы и материалы. Для ее реализации необходимо было создать новое поколение фотохромных меток, имеющих спейсеры с реакционноспособными функциональными группами и сохраняющих заданный спектр фотохромных и спектральных характеристик и параметров. Структура возможных субстратов определяет природу спейсера и необходимый тип реакционноспособной функциональной группы.
В ходе выполнения настоящей работы впервые был получен ряд новых гибридных фотоактивных систем на основе ковалентных конъюгатов фотохромных лигандов, для которых характерно сочетание фотохромной компоненты с неорганическими флуорофорами (квантовыми точками) или бинарный набор двух различных по природе фотохромов. В качестве целевой биологической мишени был выбран уникальный биофотохром — светозависимая протонная транслоказа — бактериородопсин из экстремально галофильной бактерии Halobacterium salinarum. В качестве органических лигандов были выбраны серия фотохромных производных ряда спиропирана (1) и две серии производных ряда фторированных (8) и нефторированных (9) диарилэтиленов. Необходимо отметить, что у диарилэтиленов, в отличие от спиропиранов, отсутствует самопроизвольная термохимическая реакция обесцвечивания фотоиндуцированной формы, что делает фотохромы этого класса наиболее перспективными кандидатами для создания прототипов различных технических устройств, в частности, трехмерной оптической памяти большой емкости.
Впервые были разработаны новые методы синтеза и проведено комплексное изучение полифункциональных свойств органических и гибридных фотохромных соединений и материалов на основе спиропиранов или диарилэтиленов и/или бактериородопсина.
Для придания способности к ковалентному взаимодействию с мишенью молекулы фотохромных лигандов необходимо было модифицировать путем введения в определенное положение исходного фотохрома ненасыщенных линкеров различной природы, степени ненасыщенности и размера, содержащих реакционноспособные терминальные группы (-SH или -СНО).
Работа является частью плановых научных исследований, проводимых на кафедре биотехнологии и бионанотехнологии МИТХТ им. М.В. Ломоносова в рамках госбюджетной темы 1Б-5-356 "Исследования липидов, нуклеозидов, пептидов, ретиноидов методами биотехнологии и химического синтеза с целью создания препаратов медицинского назначения (онкологические и вирусные болезни, возрастные патологии)", по грантам президента РФ по поддержке ведущих научных школ за 2008-2010 гг. (тема НИР 1Р-5-356), гранту РФФИ 09-03-00565 (2009-2011 гг.), гранту президента РФ по поддержке молодых кандидатов наук МК-2598.2010.4 (2010-2011 гг., тема НИР 1Р-45-356), государственных
контрактов № 02.512.11.2250 (2008-2009 гг. тема НИР 2Б-52-356), №16.740.11.0177 (2010-2012 гг., тема НИР 2Б-78-356).
Цели и задачи исследования:
1. Дизайн структуры и разработка методов получения новой фотохромной метки на основе
спиропиранов для маркирования наноразмерного неорганического флуорофора — квантовых
точек (CdSe):
получение исходного 5-формилпроизводного б'-нитроспиропирана (1);
детальное исследование оптимальных вариантов получения ключевых промежуточных фотохромных лигандов (2, 3) путем введения спейсера с использованием процедуры олефинирования карбонильного предшественника по Виттигу, Хорнеру-Эммонсу или Кневенагелю-Дебнеру;
подбор и апробация условий активации карбоксильной группы в фотохромном лиганде
(3);
исследование ряда вариантов синтеза целевого фотохромного лиганда с терминальной меркапто-группой;
получение и исследование спектральных и фотохимических свойств конъюгатов квантовой точки, меченной фотохромной меткой.
2. Дизайн структур молекул и разработка методов получения новых фотохромных лигандов
для маркирования биологического объекта — бактериородопсина:
разработка методики получения исходного 2-формильного производного циклопентенового дитиенилэтена (9);
разработка синтетической процедуры получения двух серий новых фотохромных меток ряда диарилэтенов;
исследование процесса олефинирования по Хорнеру-Эммонсу карбонильных предшественников в ряду диарилэтенов;
анализ и доказательство строения фотохромных меток ряда диарилэтенов.
3. Исследование фотохимических характеристик синтезированных фотохромных лигандов.
4. Изучение процесса взаимодействия синтезированных фотохромных меток с
бактериоопсином в составе апомембран Halobacterium salinarum.
Научная новизна.
В данной работе были оптимизированы методы синтеза ряда исходных соединений.
Впервые был предложен и реализован эффективный синтетический подход для прямой модификации спиропиранового ядра путем введения в С 5-положение молекулы фотохрома спейсеров различной природы и размера, степени ненасыщенности и содержащих реакционноспособные терминальные группы.
Впервые был получен конъюгат квантовых точек, меченных фотохромной меткой на основе 5-замещенного б'-нитроспиропирана, и исследованы его спектральные и фотохимические свойства.
Впервые было проведено детальное исследование и анализ особенностей процедуры олефинирования по Хорнеру-Эммонсу в ряду новых производных спиропиранов и дитиенилэтенов.
Впервые были получены две серии аналогов ретиналя на основе дитиенилэтенов и проведены детальные исследования их спектральных свойств и фотохромного поведения. Проведенное спектрально-кинетическое исследование характеристик фотохромных меток в полярном и малополярном растворителе (этанол и толуол) показало, что замена атомов фтора на водород в циклопентеновом кольце диарилэтена приводит к полной потере фотохромных свойств у аналогов ретиноидов (20, 22, 24).
Впервые были исследованы взаимодействие аналогов ретиналя на основе дитиенилэтенов с бактериоопсином в составе апомембран из Н. salinarum, и спектральные свойства новых аналогов бактериородопсина. Была показана возможность фотоуправления результатом процесса распознавания белковой матрицей бактериородопсина одной и той же структуры аналога хромофорной группы - открытой и циклизованной форм полиеналя (23).
Практическая значимость. Отработан препаративный метод синтеза моноформильного производного диарилэтена (9).
Разработаны методы введения линкера с терминальной карбоксильной группой в молекулу 5-формильного производного б'-нитроспиропирана (1) и с осуществлен синтез ключевого карбоксильного производного спиропирана (3). Разработан метод синтеза конъюгата квантовых точек и исследованы его фотохимические свойства. Была показана принципиальная возможность фотоуправления флуоресценцией квантовых точек, меченных фотохромной меткой на основе С5-замещенного б'-нитроспиропирана.
Был разработан и осуществлен синтез 2 серий полиеналей на основе производных дитиенилэтенов. Проведено исследование влияния условий проведения реакций олефинирования по Хорнеру-Эммонсу и Виттигу в ряду производных спиропиранов и дитиенилэтенов на выход и стереохимию процесса.
Результаты фундаментальных исследований, полученные в настоящей работе, могут быть использованы как для дальнейшего углубленного изучения явления фотохромизма, так и для прикладных исследований в области информационных технологий, биосенсорики и бионаноэлектроники и медицины для решения целого ряда важнейших практических задач.
Публикации и апробация работы. По материалам диссертации опубликовано 3 статьи в отечественном и международном научных журналах. Получен 1 патент РФ.
Результаты, полученные в диссертационной работе, неоднократно были доложены и представлены на следующих международных научных конференциях: XXIst IUPAC Symposium on Photochemistry, Kyoto, Japan, 2006; International Symposium on Molecular Photonics devoted to the memory of academician A.N. Terenin, St. Petersburg, Russia, 2006; International Symposium "Advanced Science in Organic Chemistry", Sudak, Crimea, 2006; XVIII Mendeleev Congress on General and Applied Chemistry, Moscow, Russia, 2007; International Conference "Molecular and nanoscale system for energy conversion", Moscow, Russia, 2007; Международной конференции «Нанофотоника», Черноголовка, Россия, 2007; International Symposium on Photochromism, Vancouver, British Columbia, Canada, 2007; XXIII International Conference on Photochemistry, Cologne, Germany, 2007; XII Международной научно-технической конференции Наукоемкие химические технологии-2008, Волгоград, 2008; XXII11 IUPAC International Symposium on Photochemistry, Gothenburg, Sweden, 2008, Международном симпозиуме «Нанофотоника», Ужгород, Украина, 2008, III Молодежной конференции ИОХ РАН, Москва, 2009, конференции «Биологически активные вещества: фундаментальные и прикладные вопросы получения и применения», Новый Свет, АР Крым, Украина, 2009, Международной конференции «Органическая нанофотоника» С-Петербург, 2009, 16th European Symposium on Organic Chemistry, Prague, Czech Republic, 2009, Международной научной конференции по биоорганической химии, биотехнологии и бионанотехнологии, посвященной 75-летию со дня рождения академика Ю.А. Овчинникова, Москва, 2009, 9-й молодежной конференции ИБХФ РАН «Биохимическая физика», Москва,
2009, Международном симпозиуме «Advanced Science in Organic Chemistry», Мисхор, Крым,
2010, 4 International Conference on Optical Optoelectronic and Photonic Materials and
Application, Budapest, Hungary, 2010, Московской международной научно-практической
конференции «Биотехнология: экология крупных городов», Москва, 2010.
Положения, выносимые на защиту.
Дизайн структуры молекулы и метод получения новой фотохромной метки на основе спиропиранов для маркирования квантовых точек.
Дизайн структур молекул и метод получения новых фотохромных лигандов для маркирования биологического объекта — бактериородопсина.
Результаты спектрально-кинетических исследований характеристик синтезированных фотохромных лигандов.
Результаты изучения процесса взаимодействия синтезированных фотохромных меток с бактериоопсином в составе апомембран Halobacterium salinarum.
Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на страницах машинописного текста, содержит схем, рисунков, таблиц и состоит из введения, литературного обзора, изложения и обсуждения результатов, экспериментальной части, выводов и списка литературы ( наименований).
