Взаємодія аміноцукрів із поверхнею модифікованих альбуміном високодисперсних оксидів та властивості нанокомпозитів на їх основі

КЛИМЕНКО НАТАЛІЯ ЮРІЇВНА

УДК 546. 284-31+544. 723+547. 9+543

 

 

 

 

Актуальність теми. Протягом останніх років в хімії поверхні чітко визначився новий напрям робіт, а саме,, Biological surface science”, який стосується досліджень особливостей взаємодії твердих, небіологічних поверхонь з біомолекулами або клітинами, що знаходяться в рідкому або газоподібному середовищах. Кінцевою метою цих досліджень є удосконалення різних технологій завдяки використанню нових наноматеріалів для біологічних систем.

У практичному відношенні такі наноматеріали можуть бути використані як домішки для оптимізації середовищ із клітинами в біотехнології, для заміни втрачених функцій організму створеними на їх основі імплантами, як біосенсори у медичній діагностиці, для покриттів в морських конструкціях та в харчовій індустрії, при розробці лікарських засобів із контрольованою фармакокінетикою, в обладнанні для біотехнологічних процесів, в темплатах для тканинної інженерії, при створенні аналогів нейральної системи живої клітини тощо.

Як носій при створенні наноматеріалів особливий інтерес викликає високодисперсний кремнезем, який використовують у фармації як допоміжну речовину при створенні різних лікарських засобів. Доведено, що в межах певних концентрацій, він здатний стимулювати життєздатність клітин, а його нанокомпозити з деякими біомолекулами – сприяти їх більшій метаболічній активності. Щодо змішаних оксидів на його основі (титано- та алюмокремнеземів), то такі дослідження не проводились. Тим більше не з’ясовано особливості формування приповерхневого шару нанокомпозитів, які цілеспрямовано визначають певний рівень біоактивності. При виборі типу біомолекул для їх створення перспективними є вуглеводи (енергоємні речовини), що здатні стимулювати життєздатність клітин. Однак перетворення таких речовин на поверхні зазначених дисперсних оксидів, від яких залежить їх біоактивність в системах із клітинами, досі не вивчені.

Раніше в Інституті хімії поверхні ім. О. О. Чуйка НАН України було досліджено нековалентну іммобілізацію аміноцукрів з поверхнею високодисперсного кремнезему та особливості будови нанокомпозитів на їх основі, а також встановлено, що комплекси кремнезему з моносахаридами (фруктозою та глюкозою) у присутності альбуміну виявляють високу біоактивність, що є важливим при створенні наноматеріалів для біологічних систем. Однак, не було вивчено при цьому взаємодію аміноцукрів із поверхнею високодисперсних кремнеземів, модифікованих білком, а тим більше умови одержання нанокомпозитів на їх основі. Не досліджено також особливості формування поверхневого шару нанокомпозитів в залежності від природи поверхні вихідних носіїв, зокрема змішаних оксидів (титано- та алюмокремнеземів).

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Роботу виконано згідно відомчої тематики Інституту хімії поверхні ім. О. О. Чуйка НАН України: „Закономірності адсорбційної взаємодії та хімічних перетворень на поверхні дисперсних оксидів в суспензіях біоактивних молекул, полімерів, клітин та мікроорганізмів” (№ держ. реєстрації 0103U006286) ; „Хімічні та фізико-хімічні процеси в граничних шарах нанодисперсних оксидів з функціоналізованою поверхнею в газовому, водному, органічному та біосередовищах” (№ держ. реєстрації 0108U002206).

Мета дослідження: вивчення взаємодії альбуміну та деяких аміноцукрів (N-ацетил-D-глюкозаміну та D-галактозаміну) з поверхнею високодисперсних кремнезему, титано- і алюмокремнеземів; створення наноматеріалів на їх основі для регулювання життєздатності клітин.

• дослідити послідовну адсорбцію біомолекул (бичачого сироваткового альбуміну та аміноцукрів) в залежності від природи поверхні нанооксидів: високодисперсний кремнезем, титано- та алюмокремнеземи;
• вивчити особливості формування приповерхневого шару нанокомпозитів на основі високодисперсного кремнезему, титано- та алюмокремнеземів, білка та аміноцукрів;
• дослідити релаксаційні процеси на поверхні як вихідних, так і модифікованих альбуміном нанооксидів з різною структурою поверхні (високодисперсний кремнезем, титано- та алюмокремнеземи), у водному середовищі;
• з’ясувати стан води, зв’язаної в частково дегідратованих репродуктивних клітинах бика, та вплив на структуру цієї води полярного (диметилсульфоксид) та слабкополярного (хлороформ) розчинників;
• визначити біоактивність одержаних нанокомпозитів як домішок до кріосередовища деконсервованих гамет биків для вдосконалення способів довгострокового зберігання репродуктивних матеріалів.

Об’єкт дослідження – створення нанокомпозитів на основі бичачого сироваткового альбуміну, аміноцукрів (N-ацетил-D-глюкозаміну та D-галактозаміну) та високодисперсних оксидів (високодисперсного кремнезему, титано- і алюмокремнеземів).

Предмет дослідження – вплив природи поверхні високодисперсних оксидів на адсорбцію білка, аміноцукрів та на біоактивність одержаних нанокомпозитів у системах з клітинами.

Методи дослідження: адсорбція з рідкої фази, спектроскопія в ультрафіолетовій (УФ), видимій та інфрачервоній (ІЧ) областях, визначення питомої поверхні одержаних нанокомпозитів, температурно-програмована десорбційна мас-спектрометрія (ТПД МС), термостимульована деполяризація (ТСД), низькотемпературна 1Н ЯМР-спектроскопія, лазерно-кореляційна спектроскопія, спеціалізоване програмне забезпечення для аналізу експериментальних даних.

Наукова новизна одержаних результатів. Досліджено вплив природи поверхні високодисперсних оксидів, зокрема високодисперсного кремнезему, титано- та алюмокремнеземів на адсорбцію аміноцукрів. Встановлено відмінності в термолізі альбуміну в залежності від рН його розчину та природи поверхні дисперсних оксидів. Показано можливість використання виділення сірководню при термолізі білка як тестового піку на змішаних оксидах із білковим покриттям.

Методом ІЧ-спектроскопії досліджено зміни в будові альбуміну на поверхні дисперсних оксидів, завдяки чому зроблено припущення щодо просторового розташування бичачого сироваткового альбуміну на вказаних оксидах. Методом термостимульованої деполяризації показано, що у розчині альбуміну значна частина води зв’язана водневими зв’язками з молекулами білка, порівняно з системою «нанооксид/бичачий сироватковий альбумін/вода», для якої кількість зв’язаної води зменшується внаслідок сильної взаємодії макромолекул з наночастинками оксидів з утворенням агрегатів.

Встановлено, що стан води при дегідратації гамет бика залежить від наявності кріоконсерванта − диметилсульфоксиду. Показано, що присутність бичачого сироваткового альбуміну стабілізує