Russian Journal of Biological Physics and Chemisrty Russian Journal of Biological Physics and Chemisrty АКТУАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ И ХИМИИ 2499-9962 55117 10.29039/rusjbpc.2022.0539 МЕДИЦИНСКАЯ БИОФИЗИКА И БИОФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ MEDICAL BIOPHYSICS AND BIOPHYSICAL CHEMISTRY МЕДИЦИНСКАЯ БИОФИЗИКА И БИОФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ QUANTUM DOTS OF CADMIUM SULFIDE PRODUCED WITH THE USE OF PROTEINS-PORINS, CARRAGEANANS, CHITOSANS AND LIPOPOLOSACCHARIDES КВАНТОВЫЕ ТОЧКИ СУЛЬФИДА КАДМИЯ, ПОЛУЧЕННЫЕ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ БЕЛКОВ-ПОРИНОВ, КАРРАГИНАНОВ, ХИТОЗАНОВ И ЛИПОПОЛИСАХАРИДОВ Набережных Г. А. Naberezhnykh G. A. naber1953@mail.ru Сергеев А. А. Sergeev A. A. Новикова О. Д. Novikova O. D. Тихоокеанский институт биоорганической химии им. Г.Б. Елякова ДВО РАН Владивосток Россия G.B. Elyakov Pacific Institute of Bioorganic Chemistry, Far Eastern Branch of the Russian Academy of Sciences Vladivostok Russian Federation Институт автоматики и процессов управления ДВО РАН Владивосток Россия Institute of Automation and Control Processes Far Eastern Branch of the Russian Academy of Sciences Vladivostok Russian Federation Тихоокеанский институт биоорганической химии им. Г.Б. Елякова ДВО РАН Владивосток Россия G.B. Elyakov Pacific Institute of Bioorganic Chemistry, Far Eastern Branch of the Russian Academy of Sciences Vladivostok Russian Federation 28 09 2022 28 09 2022 7 3 428 433 20 09 2022 20 09 2022 https://rusjbpc.ru/en/nauka/article/55117/view

Квантовые точки (КТ) представляют собой новое поколение флуорохромов, обладающих значительными преимуществами по сравнению с традиционными органическими красителями. КТ на основе CdS являются перспективными материалами для оптики, оптоэлектроники, биологии и медицины. В данной работе предложен новый эффективный метод получения биоконъюгатов на основе природных биополимеров. Меченные квантовыми точками CdS матрицы были синтезированы in situ в водном растворе с использованием OmpF порина Yersinia pseudotuberculosis (YpOmpF) и полисахаридов, положительно (хитозан) и отрицательно (каррагинан, липополисахарид) заряженных. Максимум спектров эмиссии для всех полученных образцов составлял 450 нм, что свидетельствует об одинаковом размере КТ, который определяется размером «ячеек» сетчатой матрицы, ограничивающих их размер. Обнаружено, что интенсивность флуоресценции КТ, синтезированных в растворе липополисахарида, была в два раза выше, чем у остальных образцов. Флуоресценция меченых биоматриц и максимумы спектров их эмиссии (450 нм) сохраняются при интенсивном диализе против буферов, что свидетельствует об устойчивости КТ и возможности практического использования полученных биоконъюгатов. Апробация биосенсора на основе порина показала, что взаимодействие с IgG, специфичными к YpOmpF, приводит к существенному изменению интенсивности люминесценции комплекса КТ-порин. Эти результаты открывают перспективу использования наноструктур на основе поринов, меченных КТ, в качестве биосенсоров для целей иммунодиагностики.

Quantum dots (QDs) are a new generation of fluorochromes with significant advantages over traditional organic dyes. QDs based on CdS are promising materials for optics, optoelectronics, biology, and medicine. QDs in the form of colloidal solutions are of great scientific and practical interest. CdS quantum dots were synthesized by chemical condensation in an aqueous solution using Yersinia pseudotuberculosis porin proteins, positively (chitosan) and negatively (carrageenan, lipopolysaccharide) charged polysaccharides. The maxima of the emission spectra for all samples were 450 nm, which indicates the same QD size; is determined by the size of the "cells" of the grid matrix, which limit the size of the QD. It was shown that the fluorescence intensity of QDs synthesized in LPS solutions was two times higher than that of other samples. The fluorescence of the samples and the maxima of the emission spectra (450 nm) are preserved during intensive dialysis against buffers, which indicates the stability of QDs and the possibility of using the obtained labeled preparations. Keeping samples at pH 3 leads to a significant decrease in fluorescence, especially for acidic polysaccharides. Anionic oxygen of phosphate, hydroxyl groups of sugar, nitrogen atoms can interact with metal ions, which are precursors (precursors) for CdS nanocrystals. It was found that the interaction with porin-specific IgG leads to a significant change in the luminescence intensity of QD-porin samples. This is of interest from the point of view of chemical sensing and opens the prospect of using QD-labeled porin-based nanostructures as biosensors.

 порин хитозан каррагинан липополисахарид сульфид кадмия квантовые точки конъюгация люминесценция porin chitosan carrageenan lipopolysaccharide cadmium sulfide quantum dots conjugation luminescence

Новикова О.Д., Набережных Г.А., Сергеев А.А. Наноструктурные биосенсоры на основе компонентов бактериальных мембран. Биофизика, 2021, т. 66, № 4, с. 668-683. Novikova O.D., Naberezhnykh G.A., Sergeev A.A. Nanostructural biosensors based on bacterial membrane components. Biophysics, 2021, vol. 66, no. 4, pp. 668-683, doi: 10.31857/S0006302921040062. (In Russ.) Murray C.B., Norris D.J., BawendiM.G. Synthesis and characterization of nearly monodisperse CdE (E = S, Se, Te) semiconductor nanocrystallites. J. Am. Chem. Soc., 1993, vol. 115, рр. 8706-8715, doi: 10.1021/ja00072a025. Murray C.B., Norris D.J., BawendiM.G. Synthesis and characterization of nearly monodisperse CdE (E = S, Se, Te) semiconductor nanocrystallites. J. Am. Chem. Soc., 1993, vol. 115, pp. 8706-8715, doi: 10.1021/ja00072a025. Rosenthal S.J., McBridea J., Pennycook S.J., Feldman L.C. Synthesis, surface studies, composition and structural characterization of CdSe, core/shell and biologically active nanocrystals. Surf. Sci. Rep., 2007, vol. 62, pp. 111-157, doi: 10.1016/j.surfrep.2007.02.001. Rosenthal S.J., McBridea J., Pennycook S.J., Feldman L.C. Synthesis, surface studies, composition and structural characterization of CdSe, core/shell and biologically active nanocrystals. Surf. Sci. Rep., 2007, vol. 62, pp. 111-157, doi: 10.1016/j.surfrep.2007.02.001. Akerman M.E., Chan W., Laakkonen P., Bhatia S.N., Ruoslahti E. Nanocrystal targeting in vivo. PNAS, 2002, vol. 99, no. 20, pp. 12617-12621, doi: 10.1073/pnas.1524633993. Akerman M.E., Chan W., Laakkonen P., Bhatia S.N., Ruoslahti E. Nanocrystal targeting in vivo. PNAS, 2002, vol. 99, no. 20, pp. 12617-12621, doi: 10.1073/pnas.1524633993. Abdellatif A.A.H., Younis M.A., Alsharidah M., Rugaie O., Tawfeek H.M. Biomedical Applications of Quantum Dots: Overview, Challenges, and Clinical Potential. Int. J. Nanomedicine, 2022, vol. 17, pp. 1951-1970, doi: 10.2147/IJN.S357980. Abdellatif A.A.H., Younis M.A., Alsharidah M., Rugaie O., Tawfeek H.M. Biomedical Applications of Quantum Dots: Overview, Challenges, and Clinical Potential. Int. J. Nanomedicine, 2022, vol. 17, pp. 1951-1970, doi: 10.2147/IJN.S357980. Yang G., Qin D., Zhang L. Controllable synthesis of protein-conjugated lead sulfide nanocubes by using bovine hemoglobin as a capping agent. J Nanopart.Res., 2014, vol. 16, no. 6, pp. 2438-2441, doi: 10.1007/s11051-014-2438-7. Yang G., Qin D., Zhang L. Controllable synthesis of protein-conjugated lead sulfide nanocubes by using bovine hemoglobin as a capping agent. J Nanopart.Res., 2014, vol. 16, no. 6, pp. 2438-2441, doi: 10.1007/s11051-014-2438-7. Dickerson M.B., Sandhage K.H., Naik R.R. Protein- and Peptide-Directed Syntheses of Inorganic Materials. Chem. Rev., 2008, vol. 108, no. 11, pp 4935-497, doi: 10.1021/cr8002328. Dickerson M.B., Sandhage K.H., Naik R.R. Protein- and Peptide-Directed Syntheses of Inorganic Materials. Chem. Rev., 2008, vol. 108, no. 11, pp 4935-497, doi: 10.1021/cr8002328. Набережных Г.А., Сергеев А.А., Портнягина О.Ю., Чистюлин Д.К., Сидорин Е.В., Новикова О.Д. Биоконъюгирование коллоидных квантовых точек сульфидов кадмия и надмолекулярных структур белка-порина из бактерий родаYersinia. Получение и характеристика. Актуальные вопросы биологической физики и химии, 2020, т. 5, № 4, c. 652-658. Naberezhnykh G.A., Sergeev A.A., Portnyagina O.Yu., Chistyulin D.K., Sidorin E.V., Novikovaa O.D. Bioconjugation of colloidal quantum dots of cadmium sulfides and supramolecular structures of porin protein from bacteria of the genus Yersinia. Obtaining and characterization. Russian Journal of Biological Physics and Chemistry, 2020, vol. 5, no. 4, pp. 652-658. (In Russ.) Новикова О.Д., Вакорина Т.Н., Хоменко В.А., ЛихацкаяГ.Н., Ким Н.Ю., Емельяненко В.И., Кузнецова С.М., Соловьева Т.Ф. Влияние условий культивирования на пространственную структуру и функциональную активность OmpF-подобного порина из наружной мембраны Yersinia pseudotuberculosis. Биохимия, 2008, т. 73, № 2, с. 173-184. Novikova O.D., Vakorina T.I., Khomenko V.A., Likhatskaya G.N., Kim N.Yu, Emelyanenko V.I, Kuznetsova S.M., Solov’eva T.F. Influence of cultivation conditions on spatial structure and functional activity of OmpF like porin from outer membrane of Yersinia pseudotuberculosis. Biochemistry, 2008, vol. 73, no. 2, pp. 173-184, doi: 10.1134/s0006297908020041. (In Russ.) Naberezhnykh G.A., Gorbach V.I., Likhatskaya G.N. Interaction of Chitosans and N-acylated Chitosan Derivatives with Lipopolysaccharides of Gram-Negative Bacteria. Biokhimiya, 2008, vol. 73, no. 4, pp. 530-541, doi: 10.1134/s0006297908040081. Naberezhnykh G.A., Gorbach V.I., Likhatskaya G.N. Interaction of Chitosans and N-acylated Chitosan Derivatives with Lipopolysaccharides of Gram-Negative Bacteria. Biokhimiya, 2008, vol. 73, no. 4, pp. 530-541, doi: 10.1134/s0006297908040081. Galanos O. Luderitz, Westphal O. A new method for the extraction of R lipopolysaccharides. Eur. J. Biochem., 1969, vol. 9, c. 245-249, doi: 10.1111/j.1432-1033.1969.tb00601.x. Galanos O. Luderitz, Westphal O. A new method for the extraction of R lipopolysaccharides. Eur. J. Biochem., 1969, vol. 9, c. 245-249, doi: 10.1111/j.1432-1033.1969.tb00601.x. Yermak I.M., Kim Y.H., Titlyanov E.A., Isakov V.V., Solov’eva T.F. Chemical structure and gel properties of carrageenan from algae belonging to the Gigartinaceae and Tichocapaceae, collected from the Russian Pacific coast. J. Applied Phycology, 1999, vol. 11, pp. 41-48, doi: 10.1023/A:1008071925884. Yermak I.M., Kim Y.H., Titlyanov E.A., Isakov V.V., Solov’eva T.F. Chemical structure and gel properties of carrageenan from algae belonging to the Gigartinaceae and Tichocapaceae, collected from the Russian Pacific coast. J. Applied Phycology, 1999, vol. 11, pp. 41-48, doi: 10.1023/A:1008071925884. Naberezhnykh G.A., Khomenko V.A., Solov’eva T.F., Novikova O.D., Karpenko A.A. Тhe formation of ordered structures of bacterial porins in a lipid bilayer and the analysis of their morphology by atomic force microscopy. Biophysics, 2019, vol. 64, no. 6, pp. 901-907, doi: 10.1134/S0006302919060097. Naberezhnykh G.A., Khomenko V.A., Solov’eva T.F., Novikova O.D., Karpenko A.A. The formation of ordered structures of bacterial porins in a lipid bilayer and the analysis of their morphology by atomic force microscopy. Biophysics, 2019, vol. 64, no. 6, pp. 901-907, doi: 10.1134/S0006302919060097. Разумов В.Ф. Фундаментальные и прикладные аспекты люминесценции коллоидных квантовых точек. Успехи физических наук, 2016, т. 186, № 12, с. 1368-1376. Razumov V.F. Fundamental and applied aspects of luminescence of colloidal quantum dots. Advances Physical Science, 2016, vol. 186, no. 2, pp. 1368-1376, doi: 10.3367/UFNr.2016.03.037861. (In Russ.)