Свойства молекул, лежащие в основе молекулярной элементной базы информатики

Колориметрические наносенсоры

Другим практически важным свойством НЧ золота и серебра является то, что спектр их поглощения и рассеяния существенно зависит от слипания НЧ в агрегаты. На рис. 3.21 показаны, например, изменения в спектре экстинкции (показатель скорости затухания света) эмульсии с наночастицами серебра диаметром 20 нм при объединении НЧ в агрегаты. Поскольку при слипании (коагуляции) НЧ появляется дополнительная, очень сильная полоса поглощения света, то цвет раствора с НЧ существенно изменяется.

Сенсоры, в которых используется молекулярное распознавание и изменение окраски НЧ, называют колориметрическими наносенсорами.

Рассмотрим один из примеров таких сенсоров, предназначенный для выявления присутствия в растворе конкретных олигомеров – молекул, составленных из относительно небольшого числа аминокислот. С этой целью на НЧ золота диаметром 13±2 нм после пассивации их поверхности тиолом иммобилизуют молекулы 5'- или 3'-меркаптоалкилолигонуклеотида, в состав которых входят по 28 аминокислот (аминокислотных остатков). Из них последние 15 остатков предназначены для избирательного распознавания заданных олигомеров. Они точно комплементарны олигомерам, присутствие которых надо выявить. Это и есть звенья-распознаватели. Поскольку они не комплементарны друг другу, то они препятствуют коагуляции НЧ. Поэтому исходный раствор имеет выраженную полосу поглощения света вблизи длины волны 520 нм и выглядит красным.

Рис. 3.21. Спектры экстинкции наночастиц серебра: 1 – для одиночных НЧ; 2 – для "димеров"; 3 – для "тримеров"; 4 – для "квартетов из НЧ; 5 – для цепочек из 5 НЧ; 6 – для цепочек из 6 НЧ

При появлении в растворе молекул комплементарного олигомера они присоединяются к звеньям-распознавателям на НЧ, вследствие чего становится возможной коагуляция НЧ. Этот процесс схематически показан на рис. 3.22 вверху. Коагуляция приводит к существенным изменениям в спектре пропускания раствора, показанным на рис. 3.22 внизу. После выдерживания в течение нескольких часов цвет раствора изменяется с красного на красно-фиолетовый. Значительное изменение окраски позволяет увидеть присутствие аналита в растворе "невооруженным глазом", без всяких приборов.

Рис. 3.22. Вверху – схематическое изображение процесса коагуляции НЧ после присоединения аналита: 1 – биоселективные одиночные НЧ до присоединения аналита; 2 – условное изображение молекул аналита; 3 – НЧ, которые после присоединения аналита, объединились в пентамер. Внизу – типичные изменения в спектре экстинкции: 4 – спектр одиночных НЧ; 5 – спектр после инкубации в растворе, содержащим аналит, в течение 1 часа; 6 – спектр после двухчасовой инкубации

Контрольные опыты показывают, что присутствие в растворе молекул других олигомеров, даже очень похожих на аналит, но не комплементарных к звеньям-распознавателям, не приводит к коагуляции НЧ и к изменению окраски раствора.

Порог выявления комплементарного аналита составляет порядка 10 фМ (10^-14 моль/л).

Таким же образом, как описано выше, к НЧ золота могут быть присоединены молекулы, ориентированные на распознавание теломеразы. Этот специфический фермент, открытый в 1984 г., наращивает повторяемые фрагменты ДНК ("TTAGGG") к теломерам, расположенным на 3'-конце ДНК хромосом клеток-эвкариотов. Именно это, как оказалось, и делает "бессмертными" жизненно важные клетки (половые и стволовые), позволяя им делиться очень долго. Теломераза присутствует и в раковых клетках большинства видов рака (до 85%). Поэтому, обнаруживая наличие теломеразы в живых тканях, в которых заведомо отсутствуют половые или стволовые клетки, можно диагностировать и наличие раковых клеток.

Экспериментально показано, что с помощью специализированных НЧ золота и колориметрического метода можно экспериментально выявить невооруженным глазом наличие теломеразы, выделяемой лишь десятком раковых клеток. А, используя спектрофотометрические устройства, можно выявить молекулы теломеразы, выделяемой даже одной отдельной раковой клеткой. Время, требуемое для выявления, составляет порядка 10 минут.

Сенсорные "нанозонды", подобные описанным (НЧ золота – тиол – молекула-распознаватель), уже широко используют для выявления наличия десятков важных биологических молекул in vivo при довольно малых концентрациях с использованием минимальных объемов пробы.