СТАТИЧЕСКАЯ И ДИНАМИЧЕСКАЯ СОРБЦИЯ НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ И БЕЛКОВ НА ПОВЕРХНОСТИ СОРБЕНТОВ, МОДИФИЦИРОВАННЫХ НАНОТОЛЩИННЫМИ СЛОЯМИ ПОЛИМЕРОВ
Аннотация
В статье рассмотрены сорбционные свойства композиционных кремнеземных сорбентов, модифицированных нанослоями фторполимеров, полианилинов (ПАНИ) и полиарамидов, содержащих ароматический азот, фтор, а также донорные и акцепторные фрагменты, по отношению к нуклеиновым кислотам (ДНК и РНК) и белкам, различающимся молекулярной массой и pI. Применение исследованных сорбентов в пробоподготовке при молекулярной диагностике (в частности, при проведении ПЦР-анализа) не только обеспечивает одностадийное выделение нуклеиновых кислот, но также позволяет выделять белковые соединения. Впервые проведено сравнение свойств указанных материалов в режиме статической сорбции с применением компактных спин-колонок и в режиме динамической сорбции методом спектрально-корреляционной интерферометрии. Изучено влияние химического состава, морфологии и поверхностного заряда указанных полимерных покрытий на их сорбционные свойства. Обсуждены вероятные механизмы сорбции биополимеров на исследованных сорбентах. Использование разработанных подходов при анализе свойств сорбентов и полученных данных открывает новые возможности для синтеза композиционных сорбентов с комплексом заданных свойств. Показано, что ПАНИ и полиарамиды демонстрируют сходные сорбционные свойства при взаимодействии с нуклеиновыми кислотами, но в разной степени удерживают белки. В нейтральной водной среде, оптимальной для разделения смесей биополимеров, полиарамиды, хотя и не удерживали ДНК, имели меньшее сродство к белкам по сравнению с ПАНИ. Выход ДНК после пропускания образцов через слой частиц ПАНИ-модифици-рованного кремнезема оказался максимальным по сравнению с сорбентами, модифицированными полиарамидами. Таким ообразом, ПАНИ-содержащие композиты предпочтительны в качестве носителей для одностадийного выделения нуклеиновых кислот из сложных биологических смесей. В статье цитируются результаты систематических исследований авторов статьи по разработке сорбентов для одностадийного выделения биополимеров из сложных биологических смесей.
Для цитирования:
Льяо Д.-Дж., Зыбин Д.И., Простякова А.И., Ягудаева Е.Ю., Вихров А.А., Ищенко А.А., Зубов В.П., Капустин Д.В. Статическая и динамическая сорбция нуклеиновых кислот и белков на поверхности сорбентов, модифицированных нанотолщинными слоями полимеров.Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2018. Т. 61. Вып. 1. С. 4-22
Литература
Glick B.R.; Pasternak J.J. Molecular Biotechnology: Principles and Applications of Recombinant DNA. Washington; D.C.: ASM PRESS. 1998. 710 p.
Rebrikov D.V.; Samatov G.A.; Trofimov D.Yu.; Semyonov P.A.; Savilova A.M.; Kofiadi I.A.; Abramov D.D. Real-time PCR. M.: BINOM Laboratory of knowledge. 228 p. (in Russian).
Chomczynski P.; Sacchi N. Single-step method of RNA isolation by acid guanidinium thiocyanate-phenol-chloroform extraction. Anal. Biochem. 1986. P. 156–159. DOI: 10.1016/0003-2697(87)90021-2.
Carr S.M.; Griffiths O.M. Preparative density-gradient ultracentrifugation of DNA. Biochem. Genet. 1987. V. 25. P. 385-390. DOI: 10.1007/BF00554547.
Zeugin J.A; Hartley J.L. Ethanol Precipitation of DNA. Focus. 1985. V. 7. N 4. P. 1–2.
Lehmann U.; Vandevyver C.; Parashar V.K.; Gijs M.A. Droplet-based DNA purification in a magnetic lab-on-a-chip. Angew. Chem. 2006. V. 45. N 19. P. 3062–3067. DOI: 10.1002/anie.200503624.
Boom R.; Sol C.J.; Salimans M.M.; Jansen C.L.; Wertheim-van Dillen P.M.; van der Noordaa J. Rapid and simple method for purification of nucleic acids. J. Clin. Microbiol. 1990. V. 28. N 3. P. 495-503.
Zubov V.P.; Plobner L.; Kapustin D.V.; Balayan H.; Muydinov M.; Brem G.; Leiser R.M. Sorbent material having a covalently attached perfluorinated surface with functional groups. Patent US 2006243658; 2006.
Kapustin D.V.; Zavada L.L.; Barsamjan G.B.; Ponomarev N.N.; Zubov V.P.; Leiser R.-M.; Plobner L.; Yarochevskaia E.M. New hydrophobic polymer comprising fluorine moieties. Patent US 20080015341A1; 2008.
Kapustin D.V.; Yagudaeva E.Yu.; Zubov V.P.; Muydinov M.R.; Yaroshevskaja E.M.; Plobner L.; Leiser R.-M.; Brem G. New polymer-coated materials for one-step separation of nucleic acids. in: Frontiers in DNA Research. C.R. Woods (Ed.). New York: Nova Science Publishers. 2006. P. 113–136.
Kapustin D; Prostyakova A; Bryk Y; Yagudaeva E; Zubov V. New composite materials modified with nano-layers of functionalized polymers for bioanalysis and medical diagnostics. In: Nanocomposites and polymers with analytical methods. Croatia: Intech. 2011. P. 82–106. DOI: 10.5772/18081.
Kapustin D.V.; Yagudaeva E.Yu.; Zavada L.L.; Zhigis L.S.; Yaroshevskaya E.M.; Plobner L.; Leiser R.-M.; Zubov V.P. A composite polyaniline-containing silica sorbent for DNA isolation. J. Bioorg. Chem. 2003. V. 29. N 3. P. 281–285. DOI: 10.1023/A:1023992701568.
Yagudaeva E.Yu.; Bukina Ya.A.; Prostyakova A.I.; Zubov V.P.; Tverskoy V.A.; Kapustin D.V. Oxidative polymerization of aniline on the surface of silica in the presence of poly(sulfonic acids) as a method of preparing efficient biosorbents. Polym. Sci. Ser. A. 2009. V. 51. N 6. P. 675–682. DOI: 10.1134/S0965545X09060121.
Kapustin D.V.; Prostyakova A.I.; Ryazantcev D.Yu.; Zubov V.P. Novel composite matrices modified with nanolayers of polymers as perspective materials for bioseparation and bioanalysis. Nanomedicine. 2011. V. 6. N 2. P. 241–255 DOI: 10.2217/nnm.11.6.
Zubov V.P.; Kapustin D.V.; Generalova A.N.; Yagudaeva E.Yu.; Vikhrov A.A.; Sizova S.V.; Muidinov M.R. Modification of solids with polymer nanolayers as a process for manufacture of novel biomaterials. Polym. Sci. Ser. A. 2007. V. 49. N 12. P. 2042–2062. DOI: 10.1134/S0965545X07120036.
Kapustin D.V.; Prostyakova A.I.; Zubov V.P. Fluoroplast-polyaniline-coated adsorbent for one-step isolation of DNA for PCR detection of viral hepatitides (HBV and TTV). Bioanalysis. 2014. V. 6. P. 957–966. DOI: 10.4155/bio.13.332.
Kapustin D.V.; Prostyakova A.I.; Alexeev Ya.I.; Varlamov D.A.; Zubov V.P.; Zavriev S.K. High-throughput method of one-step DNA isolation for PCR diagnostics of Mycobacterium tuberculosis. Acta Naturae. 2014. V. 6. N 2. P. 48–52.
Ivanov A.E; Saburov V.V.; Zubov V.P. Polymer-Coated Adsorbents for the Separation of Biopolymers and Particles. Adv. Polym. Sci. 1992. V. 104. P. 136-175. DOI: 10.1007/3-540-55109-3_4.
Kapustin D.V.; Zubov V.P. Synthesis of all-purpose biocompatible fluoropolymer- and polyaniline-containing nanocomposites and their application in bioseparation and bioassay. Fine Chemical Technologies (Vestn. MITHT). 2011. V. 6. N 45. P. 21-46 (in Russian).
Vaczine-Shlosser G.; Ribbing C.; Bachman P.K.; Zubov V.P.; Kapustin D.V. Surface coating for laser desorbtion ionization mass spectrometry of molecules. Patent WO 2011004308 (A1); 2011.
Nikitin P.I.; Gorshkov B.G.; Nikitin E.P.; Ksenevich T.I. Picoscope; a new label-free biosensor. Sensors Actuators B. 2005. V. 111–112. P. 500–504. DOI: 10.1016/j.snb.2005.03.043.
Diryugina E.G.; Burenin A.G.; Nikitin M.P.; Orlov A.V.; Nikitin P.I. Real-time detection of autoantibody in serum using a biosensorless biosensor system Pikoskop®. Trudy MFTI 2012. V. 4. N 3. P. 11-17 (in Russian).
Liaw D.-J.; Yagudaeva E. Yu.; Prostyakova A.I.; Lazov M.A.; Zybin D.I.; IschenkoA.A.; Zubov V.P.; Chang C.-H.; Huang Y.-C.; Kapustin D.V. Sorption behavior of polyaramides in relation to isolation of nucleic acids and proteins. Colloids Surf. B. 2016. V. 145. P. 912–921. DOI: 10.1016/j.colsurfb.2016.05.068
Yagudaeva E. Yu.; Liaw D.-J.; Ischenko A.A.; Bagratashvili V. N.; Zubov V.P.; Prostyakova A.I.; Ryazantsev D.Yu.; Sviridov A.P.; Kapustin D.V. New polyamide-containing sorbents for one-step isolation of DNA. J. Mater. Sci. 2014. V. 49. N 9. P. 3491-3496. DOI: 10.1007/s10853-014-8062-1.
Demin A.A.; Chernova I.A.; Shataeva L.K. Ion-exchange sorption of biologically active substances. SPb.: Publishing house of the St. Petersburg University. 2008. 69 p. (in Russian).
Focke W.W.; Wnek G.E.; Wei Y. Influence of oxidation state; pH; and counterion on the conductivity of polyaniline. J. Phys. Chem. 1987. V. 91. N 22. P. 5813–5818. DOI: 10.1021/j100306a059.
Burgess R.R. Use of polyethyleneimine in purification of DNA-binding proteins. Methods Enzymol. 1991. V. 208.
P. 3-10. DOI: 10.1016/0076-6879(91)08003-Z.
Boussif O.; Lezoualc'h F.; Zanta M.A.; Mergny M.D.; Scherman D.; Demeneix B.; Behr J.P. A Versatile Vector for Gene and Oligonucleotide Transfer into Cells in Culture and in vivo: Polyethylenimine. Proc. Nat. Acad. Sci. 1995. V. 92. P. 7297–7301. DOI: 10.1073/pnas.92.16.7297.
Hernández-Aguirre O.A.; Núñez-Pineda A.; Tapia-Tapia M.; Espinosa R.M.G. Surface Modification of Polypropylene Membrane Using Biopolymers with Potential Applications for Metal Ion Removal. J. Chem. 2016. P. 1-11. DOI: 10.1155/2016/2742013.
Liu D. Handbook of Nucleic Acid Purification. Boca Raton; Florida; USA: CRC Press Taylor & Francis Group. 2009. 584 p. DOI: 10.1201/9781420070972.
