Российским учёным с физического факультета СПбГУ удалось стабилизировать кластеры серебра в растворе с помощью наночастиц ДНК.

Это позволило создать химически стабильные биосовместимые флуоресцентные метки с высокой яркостью. Такие флуоресцентные метки применяют в биологии и медицине для визуализации различных процессов в клетке или различных морфологических структур.

Учёные выбрали серебро, потому, как известно, что серебряные кластеры, состоящие из нескольких атомов, обладают повышенной яркостью и фотостабильностью по сравнению с традиционно используемыми красителями и квантовыми точками. Кроме того, что особенно важно для биомедицинских приложений, кластеры серебра не токсичны.

Питерские учёные впервые предложили метод создания таких люминесцирующих наночастиц. Он основан на уникальной природной способности полимерной молекулы ДНК к самоорганизации. ДНК может образовывать компактные структуры при взаимодействии с короткими поликатионами — такими как полиамины. В итоге получается полимерная глобула, внутренние слои которой содержат нанокластеры серебра. Внешние же её слои защищают эти кластеры от окислительного разрушения в растворе. При этом внутри глобулы возможна концентрация большого числа кластеров серебро-ДНК, что существенно увеличивает яркость частицы, а значит, и чувствительность методов люминесцентной микроскопии.

Сегодня существует порядка нескольких десятков ведущих научных групп за рубежом, занимающихся исследованиями серебряных кластеров и кластеров на основе других металлов, стабилизированных полимерами. Исследования в этой области начались менее десяти лет назад, и многие, как практические, так и фундаментальные вопросы ещё не решены.

«Мы же подключились к решению этих задач менее двух лет назад, — рассказывает STRF.ru сотрудник лаборатории молекулярной биофизики Алексей Кононов. — Однако предложенные нами методы и подходы наряду с доступностью современного научно-исследовательского оборудования позволяют нам конкурировать с ведущими мировыми коллективами».

Питерские учёные впервые смогли объяснить, почему одни кластеры металл-ДНК могут люминесцировать, а другие нет. Авторскому коллективу удалось провести теоретические расчёты и показать, что люминесцировать будут лишь те кластеры ДНК с металлом, которые имеют нитевидную структуру, то есть когда атомы серебра вытянуты в цепочку. Кластеры серебра, образующие планарные и сферические структуры, обладают люминесцирующими способностями в гораздо меньшей степени.

Это наблюдение позволяет вырабатывать дальнейшую стратегию на целенаправленное создание ДНК-матриц, стабилизирующих именно нитевидную форму кластеров. Проведение расчётов для таких сложных объектов требует весьма значительных вычислительных ресурсов и доступно далеко не всем научным группам в мире. На помощь учёным пришли коллеги из суперкомпьютерного комплекса «Ломоносов» Московского университета, уникальная политика которого позволила получить совершенно бесплатный доступ к вузовским мощностям. Ряд же экспериментальных результатов стал возможен благодаря доступу к весьма дорогостоящему оборудованию ресурсных центров Санкт-Петербургского университета, предоставляющих свои услуги всем сотрудникам университета, участвующим в научных проектах, на бесплатной основе.

Люминесцирующие кластеры металлов являются основой для создания принципиально новых биопроб для медицинской диагностики. Их повышенная фотостабильность открывает также возможность их использования в качестве излучателей в оптоэлектронике, а также в качестве активной среды при создании лазеров. С фундаментальной точки зрения изучение кластеров металлов позволит сформулировать основные принципы кластерной физики и построить модель, адекватно описывающую электронное строение и физические свойства этих объектов, отличающиеся как от атомов, так и от больших наночастиц металлов размером порядка десятков и сотен нанометров.

Дальнейшее развитие методик создания наноструктур металл-ДНК позволит существенно продвинуться в области медицинской диагностики различных заболеваний на генном уровне, т.е. станет возможным определение генов, ответственных за развитие многих болезней, на самых ранних стадиях диагностики. Для создания так называемых сайт-специфичных биомаркеров можно использовать уникальную чувствительность люминесцентных свойств кластеров металлов, как к химической структуре ДНК-матрицы, так и к её окружению. Иными словами, структура металл-ДНК может использоваться в качестве уникального люминесцентного зонда для биодиагностики.

Источник информации: I. L. Volkov, R. R. Ramazanov, E. V. Ubyivovk, V. I. Rolich, A. I. Kononov, N. A. Kasyanenko. Fluorescent Silver Nanoclusters in Condensed DNA. ChemPhysChem. Vol. 14, pp. 3543–3550; R. R. Ramazanov, A. I. Kononov. Excitation Spectra Argue for Threadlike Shape of DNA-Stabilized Silver Fluorescent Clusters, J. Phys. Chem. C, 117 (36), 18681–18687.

Рассчитанная структура кластера серебра из трёх атомов, стабилизированных ДНК