Russian Journal of Biological Physics and Chemisrty Russian Journal of Biological Physics and Chemisrty АКТУАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ И ХИМИИ 2499-9962 54581 МЕДИЦИНСКАЯ БИОФИЗИКА И БИОФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ MEDICAL BIOPHYSICS AND BIOPHYSICAL CHEMISTRY МЕДИЦИНСКАЯ БИОФИЗИКА И БИОФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ Bio-conjugation of colloidal quantum dots of cadmium sulphides and supromolecular structures of protein-porin from bacteria of the genus Yersinia. Obtaining and characteristic Биоконъюгирование коллоидных квантовых точек сульфидов кадмия и надмолекулярных структур белка-порина из бактерий рода Yersinia. Получение и характеристика Набережных Г. А. Naberezhnykh G. A. naber1953@mail.ru Сергеев А. А. Sergeev A. A. Портнягина О. Ю. Portnyagina O. Yu. Чистюлин Д. К. Chistyulin D. K. cdk27@mail.ru Сидорин Е В Sidorin E V 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 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 Тихоокеанский институт биоорганической химии им. Г.Б. Елякова ДВО РАН ru Elyakov Pacific Institute of Bioorganic Chemistry, FarEastern Branch of the Russian Academy of Sciences ru 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 25 12 2020 25 12 2020 5 4 652 658 20 12 2020 20 12 2020 https://rusjbpc.ru/en/nauka/article/54581/view

Флуоресцентные квантовые точки (КТ) на основе сульфида кадмия являются перспективными материалами для оптики, оптоэлектроники, биологии и медицины. В последние годы наметился значительный прогресс в использовании наноматериалов для создания биосенсоров, в том числе с использованием белковых структур. Нативные или искусственно сконструированные биосенсоры с использованием ион-проводящих каналов являются весьма перспективным классом наноструктур. В данной работе апробированы различные подходы для формирования упорядоченных надмолекулярных структур поринов иерсиний ( Yersinia pseudotuberculosisи Y. ruckeri ), меченных КТ: (1) конъюгирование пориновой матрицы с предварительно полученными стабилизированными КТ и (2) синтез КТ в предварительно сформированной на слюде пориновой матрице в поддерживающем липидном бислое. Размеры КТ и их конъюгатов с белками измеряли с помощью метода динамического рассеяния света (непосредственно в водной суспензии). Морфологию поверхности образцов исследовали методом атомно-силовой микроскопии. Для характеристики оптических свойств полученных конъюгатов была использована сканирующая флуоресцентная спектроскопия. Обнаружено, что интенсивность люминесценции биоконъюгатов существенно зависит от способа приготовления КТ и образца белка (изолированный порин или комплекс порин-пептидогликан). Показано что в зависимости от типа образца в спектрах возбуждения люминесценции наблюдается сдвиг края фундаментального поглощения КТ. Это указывает на формирование различных по диаметру КТ и, следовательно, на возможность управления их размерами в зависимости от структуры белковой матрицы. Полученные данные открывают перспективу использования наноструктур на основе бактериальных поринов, меченных КТ, в качестве биосенсоров.

Cadmium sulfide fluorescence quantum dots (QDs) are promising materials for optics, optoelectronics, biology, and medicine. In recent years, significant progress has been achieved in the use of nanomaterials to create biosensors, including based on protein structures ones. Among others, native or artificially constructed biosensors based on ion-conducting channels are a very promising class of nanostructures. In this work, various approaches were tested for the formation of ordered supramolecular structures of Yersinia porins (Yersinia pseudotuberculosis and Y. ruckeri) labeled with QDs: (1) conjugation of the porin matrix with stabilized QDs previously obtained and (2) QDs synthesis in a porin matrix with supporting lipid bilayer preformed on mica. The sizes of QDs and their conjugates with proteins were measured using the method of dynamic light scattering (directly in an aqueous suspension). The surface morphology of the samples was studied by atomic force microscopy. To characterize the optical properties of the obtained conjugates scanning fluorescence spectroscopy was used. It was found that the luminescence intensity of bioconjugates substantially depends on the method of QDs preparation and on protein sample used in matrix (isolated porin or the porin-peptidoglycan complex). It was shown that, depending on the matrix type, a shift in the fundamental absorption edge of QDs is observed. This indicates the formation of QDs of different diameters and, therefore, the possibility of controlling their sizes by varying the structure of the protein matrix. The data obtained open the prospect of using QDs labeled nanostructures based on bacterial porins as biosensors.

 порин сульфид кадмия квантовые точки конъюгация люминисценция porin cadmium sulfide quantum dots conjugation luminescence Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект № 19-03-00318).

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. (In Russ.) Razumov V.F. Fundamental'nye i prikladnye aspekty lyuminescencii kolloidnyh kvantovyh tochek. Uspehi fizicheskih nauk, 2016, t. 186, № 12, s. 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. (In Russ.) Wang Y., Herron N.J. Nanometer-sized semiconductor clusters: materials synthesis, quantum size effects, and photophysical properties. Phys. Chem., 1991, vol. 95, no. 2, pp. 525 -532. Wang Y., Herron N.J. Nanometer-sized semiconductor clusters: materials synthesis, quantum size effects, and photophysical properties. Phys. Chem., 1991, vol. 95, no. 2, pp. 525 -532. Rosenbusch J.P. Characterization of the major envelope protein from Escherichia coli. Regular arrangement on the peptidoglycan and unusual dodecylsulfate binding. J. Biol. Chem., 1974, vol. 249, pp. 8019-8029. Rosenbusch J.P. Characterization of the major envelope protein from Escherichia coli. Regular arrangement on the peptidoglycan and unusual dodecylsulfate binding. J. Biol. Chem., 1974, vol. 249, pp. 8019-8029. Новикова О.Д., Вакорина Т.Н., Хоменко В.А., Лихацкая Г.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. (In Russ.) Novikova O.D., Vakorina T.N., Homenko V.A., Lihackaya G.N., Kim N.Yu., Emel'yanenko V.I., Kuznecova S.M., Solov'eva T.F. Vliyanie usloviy kul'tivirovaniya na prostranstvennuyu strukturu i funkcional'nuyu aktivnost' OmpF-podobnogo porina iz naruzhnoy membrany Yersinia pseudotuberculosis. Biohimiya, 2008, t. 73, № 2, s. 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. (In Russ.) Garavito R.M., Rosenbusch J.P. Isolation and crystallization of bacterial porin. Methods Enzymol, 1986, vol. 125, pp. 309-328. Garavito R.M., Rosenbusch J.P. Isolation and crystallization of bacterial porin. Methods Enzymol, 1986, vol. 125, pp. 309-328. Qi Xiao, Chong Xiao. Surface-defect-states photoluminescence in CdS nanocrystals prepared by one-step aqueous synthesis method Applied Surface. Science, 2009, vol. 255, pp. 7111-7114. Qi Xiao, Chong Xiao. Surface-defect-states photoluminescence in CdS nanocrystals prepared by one-step aqueous synthesis method Applied Surface. Science, 2009, vol. 255, pp. 7111-7114. Набережных Г.А., Карпенко А.А., Хоменко. В.А., Соловьёва Т.Ф., Новикова О.Д. Получение упорядоченных структур бактериальных поринов в липидном бислое и исследование их морфологии методом атомно-силовой микроскопии. Биофизика, 2019, т. 64, № 6, с. 1107-1114. @@Naberezhnykh G.A, Karpenko A.A., Khomenko V.A., Solov’eva T.F., Novikova O.D. The formation of Ordered Structures of Bacterial Porins in a Lipid Bilayer and Analysis of Their Morphology by Atomic Force Microscopy. Biophysics, 2019, vol. 64, no. 6, pp. 901-907. Naberezhnyh G.A., Karpenko A.A., Homenko. V.A., Solov'eva T.F., Novikova O.D. Poluchenie uporyadochennyh struktur bakterial'nyh porinov v lipidnom bisloe i issledovanie ih morfologii metodom atomno-silovoy mikroskopii. Biofizika, 2019, t. 64, № 6, s. 1107-1114. @@Naberezhnykh G.A, Karpenko A.A., Khomenko V.A., Solov’eva T.F., Novikova O.D. The formation of Ordered Structures of Bacterial Porins in a Lipid Bilayer and Analysis of Their Morphology by Atomic Force Microscopy. Biophysics, 2019, vol. 64, no. 6, pp. 901-907. Rempel A., Magerl A. Non-periodicity in nanoparticles with close-packed structures. Acta Crystal. Section A, 2010, vol. 6, no. 4, pp. 479-483. Rempel A., Magerl A. Non-periodicity in nanoparticles with close-packed structures. Acta Crystal. Section A, 2010, vol. 6, no. 4, pp. 479-483. Voznyy O. Mobile Surface Traps in CdSe Nanocrystals with Carboxylic Acid Ligands. J. Phys. Chem. C, 2011, vol. 115, no. 32, pp. 15927-15932. Voznyy O. Mobile Surface Traps in CdSe Nanocrystals with Carboxylic Acid Ligands. J. Phys. Chem. C, 2011, vol. 115, no. 32, pp. 15927-15932.