жидкокристаллическая дисперсия на основе комплекса (нуклеиновая кислота - хитозан) как интегральный биодатчик и способ ее создания

Формула изобретения

1. Лиотропная холестерическая жидкокристаллическая дисперсия как интегральный биодатчик для определения в анализируемой жидкости биологически активных соединений, представляющая собой комплекс жестких двухцепочечных молекул нуклеиновой кислоты (НК) с хитозаном в водно-солевом растворе физиологической ионной силы.

2. Лиотропная холестерическая жидкокристаллическая дисперсия по п.1, отличающаяся тем, что молекулы НК в составе дисперсии фиксированы в пространстве "сшивками" из молекул хитозана.

3. Лиотропная холестерическая жидкокристаллическая дисперсия по п.1, отличающаяся тем, что молекулы НК в составе комплекса могут гидролизоваться специфическими ферментами.

4. Лиотропная холестерическая жидкокристаллическая дисперсия по п.2, отличающаяся тем, что "сшивки" между молекулами НК гидролизуются под действием специфических ферментов.

5. Лиотропная холестерическая жидкокристаллическая дисперсия по п.2, отличающаяся тем, что "сшивки" между молекулами НК могут вытесняться из состава комплекса под действием факторов внешней среды.

6. Лиотропная холестерическая жидкокристаллическая дисперсия по п.1, отличающаяся тем, что комплекс дополнительно содержит молекулы антрациклинового антибиотика.

7. Способ создания лиотропной холестерической жидкокристаллической дисперсии по п.1, характеризующийся тем, что дисперсия формируется путем смешения водного раствора хитозана и водно-солевого раствора НК с образованием хитозановых "сшивок", фиксирующихся молекулы НК в составе дисперсии, которая обладает интенсивной полосой в спектре кругового дихроизма при ~ 270 нм.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области биотехнологии, оно может быть использовано в области медицинской и клинической биохимии, фармацевтической промышленности, молекулярной фармакологии, в экологической диагностике, а также в области биосенсорики и нанотехнологии.

Жидкокристаллические дисперсии на основе как свободных нуклеиновых кислот (НК), так и их комплексов с различными высокомолекулярными биологически активными соединениями, т.е. сложные пространственные образования, "строительными блоками" которых являются молекулы НК, вызывают все больший интерес исследователей как основа для создания интегральных биодатчиков.

В настоящее время известны два типа жидкокристаллических дисперсий, в которых в качестве "строительных блоков" использованы молекулы НК.

К первому типу относятся жидкокристаллические дисперсии, формируемые в результате фазового исключения молекул НК в водно-солевых полимерсодержащих растворах [патент РФ No 2032895]. Для этого типа дисперсий характерна аномальная отрицательная полоса в спектре кругового дихроизма (КД). Наличие этой полосы открывает принципиальную возможность для использования этого типа дисперсий в качестве чувствительных элементов (биодатчиков) для определения окрашенных биологически важных веществ.

Недостаток такого типа дисперсий состоит в том, что в этом случае "жесткая" холестерическая структура жидкокристаллической дисперсии не меняется при действии биологически активных соединений; это ограничивает их применение в биосенсорике. Кроме того, недостатки рассмотренного типа жидкокристаллических дисперсий НК состоят в следующем:

1. ограниченный интервал ионных условий, в котором существуют такие жидкокристаллические дисперсии, что делает невозможным их использование в качестве биодатчиков для определения окрашенных соединений, образующих комплексы с молекулами НК в условиях низкой ионной силы растворов;

2. необходимость использования высокой концентрации полимерного растворителя, обеспечивающего поддержание стабильной структуры такого типа дисперсий, что влияет на легкость и простоту их применения в качестве чувствительных элементов;

3. возможность определения только ограниченного круга окрашенных биологически активных соединений, взаимодействующих с молекулами НК;

4. недостаточная чувствительность к действию различных биологически активных или химических соединений, обусловленная наличием в их составе только одного "строительного блока", а именно НК, что существенно ограничивает возможность применения таких жидкокристаллических дисперсий в качестве биодатчиков широкого спектра действия в медицине, экологии и биотехнологии.

Известен также второй тип жидкокристаллических дисперсий на основе комплексов НК с поликатионами. Холестерическая жидкокристаллическая дисперсия комплексов (НК-поликатион), аномальная оптическая активность которой может проявляться только в очень узком интервале условий (например, ионная сила раствора и т.д.) [Докл. Акад. Наук, 1999, т. 365, С. 400-402], не может быть использована в качестве биодатчиков.

Недостатками этого типа жидкокристаллических дисперсий, не позволяющими использовать их в качестве биодатчиков, являются следующие:

1. ограниченный набор новых физико-химических свойств, в частности, отсутствие аномальной оптической активности, которая является наиболее эффективным критерием [патент РФ N 2107280], позволяющим следить за изменением свойств молекул НК при действии на эти молекулы биологически активных или химических соединений;

2. сложность однозначного предсказания свойств таких дисперсий, связанная с недостаточно изученными механизмами сложных химических процессов, необходимых для их создания;

3. жесткость структуры, обусловленная гексагональной упаковкой такой дисперсии, что приводит к невозможности ее "отклика" на действие биологически активных соединений;

4. узкий интервал условий существования таких дисперсий (ионная сила раствора и т.д.), что приводит к невозможности их использования в качестве чувствительных элементов биосенсорных устройств.

Отмеченные выше недостатки обоих типов жидкокристаллических дисперсий на основе молекул НК или их комплексов с поликатионами существенно ограничивают или приводят к невозможности их применения в качестве интегральных биодатчиков в медицине, экологии и биотехнологии.

Известна молекулярная конструкция [патент РФ N 2139933], представляющая собой ансамбль из жестких двухцепочечных молекул НК, упорядоченных в пространстве в виде комплекса с антибиотиком в составе лиотропной холестерической жидкокристаллической дисперсии, сформированной в водно-солевом растворе нейтрального полимера, а соседние молекулы НК фиксированы в пространстве полимерными хелатными "сшивками".

Известен также интегральный тип биодатчиков, созданный на основе молекулярной конструкции НК [патент РФ N 2139933]. Для этих биодатчиков характерно наличие аномальной оптической активности, дающей возможность для аналитического использования этих биодатчиков.

Известен способ создания молекулярной конструкции [патент РФ N 2139933] путем формирования лиотропной жидкокристаллической дисперсии НК в водно-солевом растворе нейтрального полимера, включающий стадии формирования жидкокристаллической дисперсии НК, образование комплекса (НК-антибиотик) и стадии хелатообразования при обработке дисперсии комплекса (НК-антибиотик) раствором соли двухвалентной меди.

Недостатками известной молекулярной конструкции, интегрального биодатчика на ее основе и способа создания являются следующие:

1. использование высокой концентрации полимерного растворителя, необходимой для поддержания исходной холестерической структуры молекулярной конструкции, что ограничивает ее применение в качестве чувствительного элемента биосенсорных устройств;

2. многостадийный процесс формирования молекулярной конструкции на основе молекул НК, что ограничивает легкость и простоту создания и применения этого типа биодатчиков.

В основу предлагаемого изобретения положена задача создать новый тип жидкокристаллических дисперсий, упростить способ их формирования для того, чтобы сформированные жидкокристаллические дисперсии были стабильными, с предсказуемыми и регулируемыми свойствами, с расширенным интервалом условий существования, с пространственной структурой, параметры которой менялись бы в ответ на действие различных биологически активных соединений, что позволит использовать такую жидкокристаллическую дисперсию в качестве интегрального биодатчика, т.е. биодатчика широкого спектра действия, меняющего свои свойства при наличии в анализируемой среде биологически активных соединений, опасных, независимо от их природы, для здоровья человека и животных.

Поставленная задача решена созданием лиотропной холестерической жидкокристаллической дисперсии, представляющей собой ансамбль из упорядоченных в пространстве жестких двухцепочечных молекул НК, причем согласно изобретению жидкокристаллическая дисперсия НК упорядочена в виде комплекса (НК-хитозан) в водно-солевом растворе в широком интервале ионных условий.

Хитозаны являются полусинтетическими аминополисахаридами, структура и свойства которых интенсивно изучаются в последние годы [Новые перспективы в исследовании хитина и хитозана. Материалы Пятой конференции. Москва - Щелково, изд-во ВНИРО, 1999, с. 7-295]. Хитозаны используются в пищевой, медицинской и косметической промышленности, а также исследуются как потенциальные радиопротекторы (вещества, предохраняющие организм человека от действия радиоактивного излучения). Поскольку в состав молекул хитозанов входят N-ацетиламиногруппы и положительно заряженные аминогруппы, они образуют комплексы с молекулами НК, что приводит к конденсации молекул НК.

Полученный новый тип жидкокристаллических дисперсий представляет собой ансамбль из жестких двухцепочечных молекул НК, связанных в комплекс с хитозаном и образующих частицы лиотропной холестерической жидкокристаллической дисперсии, причем взаимное расположение молекул НК в пространстве зафиксировано за счет образования "сшивок" (НК-хитозан). Отличительной особенностью таких жидкокристаллических дисперсий является их существование в водно-солевом растворе физиологической ионной силы (0,15-0,3 М NaCl), сочетаемое с их лабильностью, т.е. возможностью перестроения их пространственной структуры в ответ на действие многих биологически активных соединений, а также сохранение присущих таким дисперсиям физико-химических (в частности, оптических) свойств, что открывает новые возможности для их использования в качестве интегральных биодатчиков.

При этом молекулы НК в составе комплекса (НК-хитозан), а также "сшивки" между молекулами НК могут гидролизоваться под действием специфических ферментов. Причем "сшивки" между молекулами НК могут вытесняться из состава комплекса (НК-хитозан) под действием различных факторов внешней среды.

Возможно формировать комплекс, используя дезоксирибонуклеиновую кислоту (ДНК), а именно добавляя к раствору ДНК низкой молекулярной массы раствор хитозана до образования комплекса (ДНК-хитозан).

Наличие разных по своей химической природе составных частей комплекса ("строительных блоков"), а именно молекул НК и хитозана, свойства которых могут меняться при действии на них разных химических или биологически активных соединений, в сочетании с сохранением легко детектируемой аномальной оптической активности, присущей холестерической жидкокристаллической структуре [Yu. М. Yevdokimov, S.G. Skuridin, V.I.Salyanov, 1988, Liq. Crystals, v. 3, N 11, p. 1443-1459], открывает возможность применения предлагаемой изобретением жидкокристаллической дисперсии в качестве интегрального биодатчика, т. е. биодатчика, оптические свойства которого могут, в частности, меняться при действии различных биологически активных соединений, нарушающих как структуру молекул НК, так и хитозана, а также факторов, нарушающих как целостность структуры НК, так и хитозана.

При этом вместо молекул ДНК в качестве "строительных блоков" можно использовать любые жесткоцепные полимеры, которые образуют холестерические жидкокристаллические дисперсии и структура которых позволяет осуществлять реакции комплексообразования с молекулами хитозана.

Желательно в качестве "строительного блока" использовать молекулы линейной двухцепочечной ДНК низкой молекулярной массы или двухцепочечных синтетических полидезоксинуклеотидов, поскольку эти полимеры не только образуют холестерические жидкокристаллические дисперсии при фазовом исключении, но и препараты которых полно охарактеризованы, доступны и относительно дешевы.

В качестве сшивающего агента могут быть использованы другие водорастворимые природные или синтетические поликатионы (например, полиаминосахара), способные взаимодействовать с молекулами НК, в результате чего образуется холестерическая жидкокристаллическая дисперсия.

Целесообразно в качестве такого сшивающего агента использовать водорастворимые молекулы хитозанов, содержащие в своем составе не только положительно заряженные аминогруппы, но и способные к образованию "сшивок" между молекулами НК.

Желательно, чтобы молекулы хитозанов содержали в своем составе до 50 мономерных звеньев и образовывали комплекс с молекулами НК, приводящий к формированию лиотропной холестерической жидкокристаллической дисперсии, обладающей аномальной оптической активностью.

Желательно, чтобы в состав лиотропной холестеричекой жидкокристаллической дисперсии входили молекулы антрациклинового антибиотика, присутствие которых обеспечивает новые свойства жидкокристаллической дисперсии.

Поставленная задача решена также способом создания лиотропной холестерической жидкокристаллической дисперсии комплекса (НК-хитозан), в котором согласно изобретению дисперсия формируется в одну стадию путем смешения водного раствора хитозана и водно-солевого раствора НК, приводящего к формированию литропной холестерической жидкокристаллической дисперсии комплекса (НК-хитозан), в которой соседние молекулы НК фиксированы в пространстве за счет "сшивок" (НК-хитозан), с образованием трехмерного ансамбля, сохраняющего аномальные оптические свойства, присущие холестерической структуре.

Предлагаемый способ создания лиотропной холестерической жидкокристаллической дисперсии комплекса (НК-хитозан) и ее использование в качестве интегрального биодатчика осуществляют следующим образом:

- формируют в водно-солевом растворе лиотропную холестерическую жидкокристаллическую дисперсию комплекса (НК-хитозан);

- измеряют аномальную оптическую активность полученного образца в области поглощения азотистых оснований НК; появление интенсивной аномальной полосы в спектре КД служит доказательством образования лиотропной холестерической жидкокристаллической дисперсии комплекса (НК-хитозан);

- добавляют химические или биологически активные вещества, способные тем или иным способом нарушить целостность "сшивки" хотя бы в одном месте, и по уменьшению амплитуды аномальной полосы в спектре КД определяют наличие названных веществ.

Для лучшего понимания настоящего изобретения ниже приведены примеры, характеризующие способ изготовления лиотропной холестерической жидкокристаллической дисперсии комплекса (ДНК-хитозан), а также ее применение в качестве интегрального биодатчика со ссылками на прилагаемые фигуры, на которых:

Фиг. 1 характеризует спектр поглощения водно-солевого раствора ДНК до (кривая 1) и после (кривая 2) добавления хитозана в координатах: "A - - длина волны (нм)".

ДНК эритроцитов цыплят ("Reanal", Венгрия); молекулярная масса ДНК (0,3 - 0,6)10⁶ Да;

C_ДНК = 16,1 мкг/мл; C_Хит = 10 мкг/мл; 0,15 М NaCl+0,001 М фосфатный буфер, pH ~6,7.

Фиг. 2 характеризует спектры КД исходного водно-солевого раствора ДНК (кривая 1) и лиотропной холестерической жидкокристаллической дисперсии комплекса (ДНК-хитозан) (кривая 2) в координатах: "A = (A_L-A_R) - - длина волны (нм)";

A - круговой дихроизм (мм); 1 мм = 110^-5опт. единиц; L = 1 см;

C_ДНК = 17 мкг/мл; C_Хит = 10 мкг/мл;

0,15 М NaCl+0,001 М фосфатный буфер, pH ~6,7.

Фиг. 3 характеризует спектры КД лиотропной холестерической жидкокристаллической дисперсии комплекса (ДНК-хитозан) до (кривая 1) и после (кривая 2) обработки антрациклиновым антибиотиком дауномицином (ДАУ) в координатах: "A = (A_L-A_R) - - длина волны (нм)";

C_ДНК = 17 мкг/мл; C_Хит = 10 мкг/мл; C_ДАУ = 18,510^-6 М;

0,15 М NaCl+0,001 М фосфатный буфер, pH ~6,7.

Фиг. 4 характеризует спектры КД лиотропной холестерической жидкокристаллической дисперсии комплекса (ДНК-хитозан) в присутствии дауномицина до (кривая 1) и после (кривые 2-3) обработки хитиназой в течение, соответственно, 20 и 51 мин в координатах: "A = (A_L-A_R) - -длина волны, (нм)";

C_ДНК = 17 мкг/мл; C_Хит = 10 мкг/мл; C_ДАУ = 18,510^-6 М;

0,15 М NaCl+0,001 М фосфатный буфер, pH ~6,7.

Фиг. 5 характеризует спектры КД лиотропной холестерической жидкокристаллической дисперсии комплекса (ДНК-хитозан) (кривая 1), этой же дисперсии в присутствии дауномицина (кривая 2), а также спектры КД этих дисперсий после обработки гепарином (кривые 3 и 4, соответственно) в координатах: "A = (A_L-A_R) - - длина волны, (нм)";

C_ДНК = 17 мкг/мл; C_Хит = 10 мкг/мл; C_ДАУ = 18,510^- М;

C_{гепарин} = 1 мкг/мл;

0,15 М NaCl+0,001 М фосфатный буфер, pH ~6,7.

Пример 1. Способ создания лиотропной холестерической жидкокристаллической дисперсии комплекса (ДНК-хитозан) в водно- солевом растворе.

1.1. Создание лиотропной холестерической жидкокристаллической дисперсии комплекса (ДНК-хитозан).

1.1. Готовят исходный водный раствор хитозана с концентрацией 5 мг/мл.

1.2. Лиотропную холестерическую жидкокристаллическую дисперсию комплекса (ДНК-хитозан) готовят в одну стадию, для чего к 2 мл водно-солевого раствора (0,15 М NaCl+0,001 М фосфатный буфер, pH ~6,7) ДНК эритроцитов цыплят ("Reanal", Венгрия; мол. масса ДНК ~(0,3 - 0,6)10⁶ Да, C_ДНК = 17 мкг/мл) добавляют 4 мкл раствора хитозана, приготовленного по п. 1, при перемешивании и затем регистрируют спектр поглощения и КД (фиг. 1 и 2). Появление кажущейся оптической плотности в спектре поглощения в области длин волн, превышающих 300 нм (фиг. 1), свидетельствует об образовании частиц дисперсии, рассеивающих падающее УФ-излучение. Появление интенсивной положительной полосы (фиг. 2) в спектре КД ( ~ 270 нм) свидетельствует об образовании лиотропной холестерической жидкокристаллической дисперсии комплекса (ДНК-хитозан), в которой между молекулами ДНК образуются "сшивки" из молекул хитозана, фиксирующие упорядоченное (анизотропное) расположеннее в частицах дисперсии.

Таким образом в водно-солевом растворе получают лиотропную холестерическую жидкокристаллическую дисперсию комплекса (ДНК-хитозан), состоящую из линейных двухцепочечных молекул ДНК, упорядоченных в пространстве и "сшитых" молекулами хитозана.

Пример 2. Изменение свойств лиотропной холестерической жидкокристаллической дисперсии комплекса (ДНК-хитозан) в присутствии антрациклинового антибиотика.

В качестве представителя группы антрациклиновых антибиотиков, к которым относятся карминомицин, адриамицин, аклациномицин, виоламицин и др., ниже использован дауномицин.

2.1. Препарат ДАУ ("Sigma") растворяют в 1 мл дистиллированной воды при перемешивании.

2.2. К 2 мл лиотропной холестерической жидкокристаллической дисперсии комплекса (ДНК-хитозан), приготовленной по п. 1.2, добавляют 10 мкл раствора по п. 2.1 (C_ДАУ=3,710^-3 М) при перемешивании и затем регистрируют спектр КД (фиг. 3). Таким образом получают комплекс между молекулами ДНК, "сшитыми" хитозаном в составе жидкокристаллической дисперсии, и дауномицином.

Изменение знака полосы в спектре КД, зависящее от концентрации ДАУ, а также других соединений, образующих интеркаляционные комплексы с молекулами ДНК в составе жидкокристаллической дисперсии комплекса (ДНК-хитозан), может быть использовано для определения этих соединений.

Тот факт, что молекулы многих химических и биологически активных соединений расщепляют хитозановые "сшивки" или вытесняют их из состава комплекса, открывает возможность для применения холестерических жидкокристаллических дисперсий комплекса (ДНК-хитозан) или смешанного комплекса (ДНК-ДАУ-хитозан) в качестве интегрального биодатчика. Нарушение целостности "сшивки" или ее "уход" из состава комплекса приведет к уменьшению оптического сигнала, генерируемого дисперсией. Уменьшение оптического сигнала связано с концентрацией определяемого химического или биологически активного соединения в пробе.

Ниже приведены примеры применения холестерических жидкокристаллических дисперсий комплекса (ДНК-хитозан) или смешанного комплекса (ДНК-ДАУ-хитозан) для обнаружения фермента, расщепляющего молекулу хитозана (хитиназа), или вытесняющего хитозан из состава комплекса (гепарин).

Пример 3. Определение наличия хитиназы в растворе.

3.1. К 2 мл лиотропной холестерической жидкокристаллической дисперсии комплекса (ДНК-ДАУ-хитозан), по п. 2.2, добавляют 100 мкл раствора хитиназы при перемешивании и регистрируют спектры КД в области поглощения ДНК (230-350 нм) с интервалом 10-15 мин.

При добавлении хитиназы амплитуда отрицательной полосы в спектре КД (фиг. 4) резко уменьшается. Это означает, что обработка лиотропной холестерической жидкокристаллической дисперсии комплекса (ДНК-ДАУ-хитозан) хитиназой приводит к разрушению хитозановых "сшивок", фиксирующих холестерическую структуру дисперсии. Разрушение "сшивок" приводит к переходу молекул ДНК из упорядоченного жидкокристаллического состояния, характеризуемого высокой оптической активностью, в изотропное состояние с низкой оптической активностью.

Таким образом, при наличии соответствующей калибровочной кривой при помощи лиотропной холестерической жидкокристаллической дисперсии комплекса (ДНК-ДАУ-хитозан) можно определять концентрацию хитиназы в анализируемой жидкости.

Пример 4. Определение наличия гепарина в растворе.

4.1. Готовят водный раствор гепарина с концентрацией 1 мг/мл.

4.2. К 2 мл лиотропной холестерической жидкокристаллической дисперсии комплекса (ДНК-хитозан), по п. 1.2, добавляют 2 мкл раствора гепарина по п. 4.1 при перемешивании и регистрируют спектры КД в области поглощения ДНК (230-350 нм) с интервалом 2-3 мин.

4.3. К 2 мл лиотропной холестерической жидкокристаллической дисперсии комплекса (ДНК-ДАУ-хитозан), по п. 2.2, добавляют 2 мкл раствора гепарина по п. 4.1 при перемешивании и регистрируют спектры КД в области поглощения ДНК (230-350 нм) с интервалом 2-3 мин.

Добавление гепарина сопровождается резким уменьшением амплитуды как положительной, так и отрицательной полос в спектре КД (фиг. 4). Это означает, что обработка лиотропной холестерической жидкокристаллической дисперсии комплекса (ДНК-хитозан) или (ДНК-ДАУ-хитозан) гепарином сопровождается образованием более прочного комплекса (хитозан-гепарин), что приводит к "уходу" молекул хитозана из состава холестерических жидкокристаллических дисперсий и переходу молекул ДНК в оптически неактивное изотропное состояние.

Таким образом, примеры 2 - 4 показывают, что лиотропные холестерические жидкокристаллические дисперсии комплекса (ДНК-хитозан) или (ДНК-ДАУ-хитозан) позволяют обнаруживать наличие в анализируемой жидкости соединений, разрушающих хитозановые "сшивки" или вытесняющих их из состава дисперсии.

Следовательно, лиотропные холестерические жидкокристаллические дисперсии комплекса (ДНК-хитозан) или (ДНК-ДАУ-хитозан) представляют собой интегральный биодатчик, свойства которого могут меняться в присутствии в анализируемой жидкости достаточно широкого круга соединений различной природы.

Предлагаемое изобретение может быть использовано в биосенсорике, медицинской и клинической биохимии, в молекулярной фармакологии, а также в наноэлектронике. Лиотропные холестерические жидкокристаллические дисперсии комплекса (НК-хитозан) предназначены для использования в медицине в качестве интегрального биодатчика, реагирующего, в частности, на изменение концентрации антиопухолевых антибиотиков, образующих интеркаляционные комплексы с ДНК, в клинической биохимии, молекулярной фармакологии и молекулярной энзимологии для определения биологически активных соединений, разрушающих хитозановые "сшивки" или вытесняющие их из состава дисперсии, а также соединений, гидролизующих молекулы ДНК.