Взаимодействие наночастиц золота с бычьим сывороточным альбумином

УДК 621.315.592

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ НАНОЧАСТИЦ ЗОЛОТА С БЫЧЬИМ СЫВОРОТОЧНЫМ АЛЬБУМИНОМ

В. И. Красовский, И. А. Наговицын, Г. К. Чудинова, В. В. Савранский, В. А. Караванский

Исследовано взаимодействие наноразмерных частиц золота и бычьего сывороточного альбумина (БСА) в водных растворах. Показано образование ассоциатов наночастица-БСА, что выражается в батохромном смещении на 5 — 6 нм полосы поверхностного плазменного резонанса (ППР) в спектре поглощения. Результаты аппроксимированы с помощью модели Друде для металлических сфер, рассчитаны толщина диэлектрической (белковой) оболочки наночастицы, ее диэлектрическая проницаемость (показатель преломления).

В литературе последних лет постулируется необходимость уделять особое внимание проблемам воздействия наночастиц на здоровье человека, определению их физиологического действия и их токсичности, однако количество работ, посвященных этим вопросам, крайне незначительно [1, 2]. При исследовании физиологического действия наноразмерных частиц необходимо понимание механизмов их взаимодействия с биологическими макромолекулами. Целью настоящей работы является исследование взаимодействия БСА и водного коллоидного раствора наночастиц золота.

Сывороточный альбумин - основной белок плазмы крови, состоящий из 580 аминокислотных остатков, которые участвуют в транспорте веществ, плохо растворимых в воде, в том числе лекарственных препаратов, таких как сульфонамиды, аспирин, пенициллин [3]. Известно, что альбумин связывает также и наноразмерные частицы, способствуя их транспорту через клетки [3, 4].

Ярко выраженной особенностью наноразмерных частиц благородных металлов является наличие полосы ППР в видимой области спектра поглощения коллоидного раствора. Высокая эффективность возбуждения поверхностных плазмонных волн (ППВ) на

поверхности наночастиц золота дает возможность их использования при создании биосенсоров, в том числе, и с использованием сывороточного альбумина [5, 6], а также в медицинской фототермальной терапии [7]. Однако проведенный нами литературный поиск показал отсутствие работ, посвященных детальному исследованию эффективности возбуждения ППВ в комплексах коллоидного золота и сывороточного альбумина. Представленные в настоящей работе исследования могут быть полезны как для понимания физиологической активности наночастиц, так и в прикладной области, для разработки биосенсоров.

Материалы и методы. Наночастицы золота формировались методом лазерной абляции в жидкости. Использовался N(1 лазер с длиной волны 1.06 мкм, энергией 300 /лДж и длительностью импульса 350 пс, с частотой повторения 50 Гц. Разделение наночастиц по размерам осуществлялось центрифугированием со скоростью 1, 2 и 3 тыс. об/мин для образцов 1, 2 и 3, соответственно. Водный раствор БСА (10-5М) смешивался с водным коллоидом наночастиц золота в объемном соотношении 1:1 (Образцы 1А-ЗА, соответственно). В течение недели агрегации и седиментации в спектрах оптического поглощения не наблюдалось. Спектры оптического поглощения регистрировали на спектрофотометре ЭЫтаски ИУ-250 (Япония).

Результаты и обсуждение. Спектры поглощения исходных коллоидов наночастиц и их смеси с БСА представлены на рис. 1. Область в спектре поглощения, выделенная пунктирной линией, моделировалась моделью Друде для металлических шаров [8], в которой размер частиц учитывается через увеличение частоты столкновения электронов. Спектры поглощения в рамках данной модели определяются выражением:

р • ш  е3/2 е"

аМ = 9—_—

и2

где ет(и) ' ----——- = е'т + гет - диэлектрическая проницаемость металла;

+ гшТ)

V { 2 V /

шр - плазменная частота, равная для золота 1.39 х 1016 с-1; £„(<*>) = 13.8; шт = — -|——

1е К

- частота электронных столкновений; е - диэлектрическая проницаемость окружающей среды; р - объемная доля металла в композите; V/ = 1.7 х 106 мс-1 - скорость Ферми для золота; 1е = 42 нм - длина свободного пробега электрона для объемного золота; Я радиус наночастицы; А - длина волны и с - скорость света в вакууме. Кривые 1-3 в выделенной области аппроксимировались выражением (1), при этом подгоночными параметрами в этой модели являлись концентрация наночастиц р, показатель преломления

Рис. 1. Спектры поглощения исходных коллоидов (1,2,3), комплексов золото-БСА (1А, 2А, ЗА) и раствора БСА. Пунктиром выделена область, по которой производилась аппроксимация.

окружающей среды л/е и радиус наночастицы R.

Благодаря высокой локализации плазменных колебаний электрического поля изменение параметра плазменного колебания может произойти только при очень тесном контакте наночастицы и молекул БСА. Так, наблюдаемый сдвиг положения пика плазменных колебаний в спектре поглощения смеси растворов наночастиц и БСА по сравнению со спектром коллоида наночастиц золота свидетельствует об образовании ассоциатов наночастица-БСА.

Для определения толщины белковой оболочки а и ее диэлектрической проницаемости £s (показателя преломления ns) использовалась модель для металлических частиц с диэлектрической оболочкой [9]:

(gs - e)(emH + 2es) + R(R + a)-1(em(u;) - e,)(e + 2es) 1 (£s + 2e)(emH + 2es) - R{R + a)-i(em(w) - e.)(e - 2es)J ' ( j

где a - толщина оболочки, es - диэлектрическая проницаемость оболочки. Результаты аппроксимации представлены в таблице 1.

9р  ш  е3'2 а{и>) = -rrlm

Таблица 1

Полученные параметры наночастиц золота и ассоциатов наночастица-БСА

Образец Aq, нм R, нм а, нм р, см 3 £о

1 518 ± 1 2.96 ±0.5 6 х Ю-6 1.779(1.334)± 0.005

1А 521 ± 1 2.93 ±0.5 28.9 ±5 3.8 х Ю-6 1.779(1.334) 1.947(1.395)± 0.005

2 518 ±1 2.66 ±0.5 1.7 х Ю-6 1.779(1.334)± 0.005

2А 521 ± 1 2.53 ±0.5 20.7 ± 5 8.7 х Ю-7 1.779(1.334) 1.972(1.404)± 0.005

3 518 ± 1 2.39 ±0.5 1.04 х Ю-6 1.779(1.334)± 0.005

ЗА 525 ± 1 2.36 ±0.5 18.9 ± 5 5.13 х Ю-7 1.779(1.334) 1.938(1.392)± 0.005

Максимум полос поглощения во всех трех образцах растворов наночастиц золота находится в области 518 нм. Взаимодействие наночастиц золота с молекулами БСА приводит к батохромному сдвигу полосы поглощения ПНР на 5-6 нм и может быть интерпретировано как образование эффективной диэлектрической оболочки с показателем преломления ns ~ 1.4 и толщиной а ~ 19—29 нм, при этом практически все наночастицы золота находятся во взаимодействии с молекулами БСА. Максимумы полос поглощения в УФ-диапазоне в растворах смеси (образцы 1А и 2А) сдвинуты гипсохромно, на 8 и 4 нм соответственно, по сравнению с максимумом полосы поглощения в однокомпонентном растворе БСА (рис. 2), тогда как максимум в УФ-спектре двухкомпонентного образца ЗА располагается практически в том же месте (278 нм), что и максимум в спектре БСА. В случае образцов 1А и ЗА форма спектра близка к таковой для образца 2А (рис. 2).

Структура сывороточного альбумина на данный момент хорошо изучена. Рентге-ноструктурный анализ показывает, что молекула сывороточного альбумина человека (очень близкого по структуре к БСА) напоминает треугольную призму размерами

о о

80x80x80x30 А с двумя гидрофобными полостями 20-30 А. Показатель преломления БСА составляет 1.445 [10]. Меньшее значение показателя преломления эффективной диэлектрической оболочки (~1.4), по-видимому, объясняется тем, что концентрация БСА недостаточна для того, чтобы обеспечить тесный контакт белка со всей поверхностью наночастицы. Так как размеры БСА и наночастиц сравнимы (табл. 1), следует ис-

250 260 270 280 290 300

X, nm

Рис. 2. Приведенные к единице спектры поглощения раствора БСА (10~ЪМ) (сплошная линия) и смеси растворов БСА и наночастиц золота в объемном соотношении 1:1(образец 2А, пунктир).

ключить из рассмотрения встраивание наночастиц в гидрофобные полости БСА (этот эффект известен для красителей [11-13]). Можно предположить, что в образовании ас-социатов наночастица-БСА основную роль играют слабые дисперсионные электростатические и вандерваальсовские взаимодействия, однако этот вопрос нуждается в более детальном исследовании.

Таким образом, исследовано взаимодействие бычьего сывороточного альбумина и наночастиц золота в водных растворах. Образование ассоциатов наночастица-БСА приводит к сдвигу максимума плазмонного резонанса на 5-6 нм в область более длинных волн. С помощью модели Друде была оценена эффективная толщина диэлектрической оболочки БСА, образованной при его взаимодействии с наноразмерными частицами золота. Полученные результаты могут быть использованы при обсуждении оптических и физико-химических свойств наночастиц in vivo и механизмов взаимодействия нанораз-мерных частиц благородных металлов с биологическими объектами.

Работа поддержана грантами РФФИ N 07-02-00160а и ведущей научной школы НШ 1007-2006-2.

ЛИТЕРАТУРА

[1] Р. Н. М., I. Bruske-Hohlfeld, and О. V. Salata, J. Nanobiotechnology 2, 12 (2004).

[2] G. Oberdorster, E. Oberdorster, and J. Oberdorster, Environ. Health Perspect 113(7), 823 (2005); G. Oberdorster, A. Maynard, K. Donaldson, et. al., Part. Fibre Toxicol. 2, 8 (2005).

[3] А. Уайт, Ф. Хендлер, Э. Смит, и др., Основы биохимии 3, 726 (1981) (Мир, М.) (А. White, P. Handler, Е. L. Smith, R. L. Hill, I. R. Lehman "Principles of biochemistry", 6th ed. McGraw-Hill Book Co., New-York, 1978).

[4] D. Mehta, J. Bhattacharya, M. A. Matthay, and A. B. Malik, Cell Mol. Physiol. 287, L1081 (2004); K. Heckel, R. Kiefmann, M. Dorger, et al., Am. J. Physiol. Lung Cell Mol. Physiol. 287, L867 (2004).

[5] J. Homola, S. S. Yee, G. and G. Gauglitz, Sensor and Actuators В 54, 3 (1999); M. M. Malmquist, Biochem. Soc. Trans. 27, 335 (1999).

[6] Y. Long, L. Nie, J. Chen, and S. Yao, J. Colloid Interface Sci. 263(1), 106 (2003); S. Liu, Z. Yang, Z. Liu, and L. Kong, Anal. Biochem. 353(1), 108 (2006).

[7] D. Pissuwan, S. M. Valenzuela, and M. B. Cortie, Trends Biotechnol. 24(2), 62 (2006).

[8] S. K. Mandal, R. K. Roy, and A. K. Pal, Journal of Physics D (Applied Physics), 35, 2196 (2002).

[9] P. Englebienne, A. Hoonacker, and M. Verhas, Spectroscopy 17, 255 (2003).

[10] A. Tsargorodskaya, A. V. Nabok, and A. K. Ray, Nanotechnology 15, 703 (2004). [И] И. А. Наговицын, Г. К. Чудинова, ДАН 382(2), 267 (2002).

[12] И. А. Наговицын, Г. К. Чудинова, В. В. Савранский, Г. Г. Комиссаров, Краткие сообщения по физике ФИАН, N 11, 19 (2003).

[13] И. А. Наговицын, Г. К. Чудинова, В. В. Савранский, Г. Г. Комиссаров, Биофизика (2007, принята к печати).

Институт общей физики

им. A.M. Прохорова РАН Поступила в редакцию 27 июля 2007 г.