Выяснен механизм присоединения биомолекул к золоту
Ученые Сибирского федерального университета совместно с коллегами из Италии и Швеции исследовали свойства наночастиц золота, покрытых пептидами — небольшими аминокислотными цепочками. Такое строение определяет особенности устойчивости, динамики и сборки частиц в стабильные структуры. Полученные данные важны для разработки металлических имплантатов и высокочувствительных наносенсоров. Первая работа опубликована в журнале Nano Research. В своем следующем исследовании ученые сконцентрировались на свойствах наночастиц из нитрида титана — перспективного недорогого материала для создания современных фотонных устройств.
Свойства наноразмерных объектов сильно отличаются от свойств тех веществ, с которыми мы встречаемся в обычной жизни. Например, они могут самоорганизовываться, то есть группироваться в определенном порядке. Понимать механизмы того, как это происходит (как физических, так и химических), нужно для создания новых материалов и устройств. В новой работе ученые исследовалеи наночастицы из золота с прикрепленными к их поверхности короткими пептидами. Методы компьютерного моделирования позволили им раскрыть механизмы, недоступные для изучения в ходе традиционных экспериментов.
«Мы изучили взаимодействия между поверхностью металлических наночастиц и биомолекулами, такими как аминокислоты, пептиды и белки. Мы использовали метод атомистического компьютерного моделирования динамики объекта, при котором можно различить каждый атом большой системы с высокой точностью», — рассказывает один из авторов работы, профессор Ханс Арвид Огрен.
Результаты работы на атомном уровне показали все детали, касающиеся механизмов присоединения пептидов к поверхности золотых наночастиц, стабилизации получившейся системы, а также ее самосборки. Оказалось, что способные к реакции группы аминокислот (-COOH, -SH, -NH2) могут образовывать химические связи с золотом. Кроме того, между молекулами прикрепленных пептидов есть электростатическое (между заряженными фрагментами) и гидрофобное (между незаряженными фрагментами, стремящимися уйти от контакта с окружающей водой) взаимодействие. Это играет важную роль в образовании структурированных агрегатов. Изменения формы пептидов, распределение зарядов при их взаимодействии — все это может как способствовать, так и препятствовать формированию устойчивой системы. Само наличие неких объемных молекул на поверхности наночастиц определяет особенности того, как они взаимодействуют с окружением, в частности, с водным раствором. Так, пептиды защищают их от прямого контакта с водой и с другими наночастицами. Это накладывает определенные ограничения на создание материалов и наноразмерных приборов.
«Понимание тонких механизмов взаимодействия наночастиц друг с другом и с присоединенными к их поверхности биомолекулами открывает новые перспективы в разработке конструкций для двух основных областей. Во-первых, это более совершенные биосовместимые материалы для металлических имплантатов. Во-вторых, это дизайн гибридных наносенсоров, позволяющих с высокой точностью детектировать даже отдельные молекулы», — прокомментировал работу Огрен.
В своей следующей работе ученые сконцентрировались на исследовании свойств наночастиц из нитрида титана (TiN). По сравнению с обычно применяемым в таких случаях золотом наночастицы из нитрида титана и дешевле, и устойчивее к температуре. Это перспективный материал для создания современных фотонных устройств. Более того, внутренние особенности TiN позволяют установить частоту колебания наночастиц, применяемую для большинства современных цифровых микросхем в телекоммуникации.
Работа выполнена сотрудниками Сибирского федерального университета совместно с коллегами из Института химии органометаллических материалов в Италии, Королевского технологического института в Швеции и Института химико-физических процессов в Италии.