• Українська
  • English
  • Русский
ISSN 1028-821X (Online)
ISSN 2415-3400 (Print)

Метод оценки влияния химических и физических факторов на биополимеры по текстурам их пленок

Глибицкий, ДМ, Горобченко, ОА, Николов, ОТ, Чейпеш, ТА, Джимиева, ТН, Зайцева, ИС, Рошаль, АД, Зибаров, АМ, Шестопалова, АВ, Семенов, МА, Глибицкий, ГМ
Organization: 

Институт радиофизики и электроники им. А. Я. Усикова НАН Украины
12, ул. Акад. Проскуры, Харьков, 61085, Украина

E-mail: dima.glib@gmail.com

Харьковский национальный университет имени В. Н. Каразина
4, пл. Свободы, Харьков, 61022, Украина

Харьковский национальный университет городского хозяйства имени А. Н. Бекетова
17, ул. Маршала Бажанова, Харьков, 61002, Украина

НИИ химии, Харьковский национальный университет имени В. Н. Каразина
4, пл. Свободы, Харьков, 61022, Украина

Язык: русский
Аннотация: 

Предмет и цель работы. Исследованы взаимосвязи структурного и агрегационного состояния биополимеров с количественными характеристиками текстур пленок, образуемых при высушивании растворов биополимеров.

Методы и методология работы. Структурные изменения биополимера определялись методами инфракрасной, ультрафиолетовой и флуоресцентной спектроскопии; размеры и поверхностный потенциал частиц биополимера определялись методом динамического светорассеяния; состояние водного окружения – методом СВЧ-диэлектрометрии. Для получения пленок солевые растворы Na-ДНК тимуса теленка, бычьего сывороточного альбумина (БСА) или сывороточного альбумина человека (САЧ) высушивались в стеклянной кювете в термостатируемых условиях. Для численного моделирования текстур использовались относительная площадь, фрактальная размерность и характеристики зигзагоподобных паттернов.

Результаты работы. Приведен мини-обзор результатов, полученных в ходе разработки метода оценки влияния биологически активных веществ (неорганических и органических) и физических факторов (температуры и гамма-облучения) на биополимеры по изменениям параметров текстур. Показано, что формирование зигзагоподобных структур чувствительно к структурному и агрегационному влиянию биологически активных веществ и физических факторов, а также критично к наличию хлорид-ионов.

Заключение. Предложен метод оценки влияния соответствующих факторов по изменениям параметров текстур. Представленные результаты проясняют роль биополимера, а также катионов и анионов соли в формировании текстур (в частности, зигзагоподобных структур) на поверхности пленок, и показывают связь структурных изменений и агрегации биополимера с количественными характеристиками зигзагоподобных паттернов.

Ключевые слова: биополимер, бычий сывороточный альбумин, водно-солевой раствор, ДНК, зигзагоподобный паттерн, текстура

Статья поступила в редакцию 02.10.2018
PACS: 68.55.J-, 68.55.jm, 87.15.nr, 87.15.nt, 87.64.M-
УДК: 577.32+544.023.26+004.932.2
Radiofiz. elektron. 2019, 24(1): 
Полный текст (PDF)

References: 
  1. Яхно Т. А., Казаков В. В., Санина О. А., Санин А. Г., Яхно В. Г. Капли биологических жидкостей, высыхающие на твердой подложке: динамика морфологии, массы, температуры и механических свойств. Журн. техн. физики. 2010. Т. 80, № 7. С. 17–23.
  2. Рапис Е. Г. Изменение физической фазы неравновесной пленки комплекса белков плазмы крови у больных с карциномой. Журн. техн. физики. 2002. Т. 72, № 4. С. 139–142.
  3. Gorza F. D. S., Pedro G. C., Trescher T. F., da Silva R. J., Silva J. R., de Souza N. C. Morphological analysis and interaction of chlorophyll and BSA. BioMed. Res. Intern. 2014. Vol. 2014, Article ID 872701 (6 p.). DOI: http://dx.doi.org/10.1155/2014/872701.
  4. Dugas V., Broutin J., Souteyrand E. Droplet evaporation study applied to DNA chip manufacturing. Langmuir. 2005. Vol. 21, N 20. P. 9130–9136. DOI: 10.1021/la050764y.
  5. Takhistov P., Chang H. C. Complex stain morphologies. Ind. Eng. Chem. Res. 2002. Vol. 41, N 25. P. 6256–6269. DOI: 10.1021/ie010788+.
  6. Brutin D., Sobac D., Loquet B., Sampol J. Pattern formation in drying drops of blood. J. Fluid Mech. 2011. Vol. 667. P. 85–95. DOI: htts://doi.org/10.1017/S0022112010005070.
  7. Killeen A. A., Ossina N., McGlennen R. C., Minnerath S., Borgos J., Alexandrov V., Sarvazyan A. Protein self-organization patterns in dried serum reveal changes in B-cell disorders. Mol. Diagn. Ther. 2006. Vol. 10, N 6. P. 371–380. DOI: https://doi.org/10.1007/BF03256214.
  8. Chen R., Zhang L., Zang D., Shen W. Blood drop patterns: formation and applications. Adv. Colloid Interface Sci. 2016. Vol. 231. P. 1–14. DOI: https://doi.org/10.1016/j.cis.2016.01.008.
  9. Sikarwar B. S., Roy M., Ranjan P., Goyal A. Automatic pattern recognition for detection of disease from blood drop stain obtained with microfluidic device. Advances in Signal Processing and Intelligent Recognition Systems: proc. 2nd Int. Symp. Signal Processing and Intelligent Recognition Systems (SIRS-2015) (16–19 Dec. 2015, Trivandrum, India). P. 655–667. DOI: http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-28658-7_56.
  10. Kokornaczyk M. O., Dinelli G., Marotti I., Benedettelli S., Nani D., Betti L. Self-organized crystallization patterns from evaporating droplets of common wheat grain leakages as a potential tool for quality analysis. Sci. World J. 2011. Vol. 11, N 25. P. 1712–1725. DOI: http://dx.doi.org/10.1100/2011/937149.
  11. Andersen J.-O., Henriksen C. B., Laursen J., Nielsen A. A., Computerized image analysis of biocrystallograms originating from agricultural products. Comput. Electron. Agric. 1999. Vol. 22, N 1. P. 51–69. DOI: https://doi.org/10.1016/S0168-1699(98)00043-X.
  12. Busscher N., Kahl J., Andersen J.-O., Huber M., Mergardt G., Doesburg P., Paulsen M., Ploeger A. Standardization of the biocrystallization method for carrot samples. Biol. Agric. Hortic. 2010. Vol. 27, N 1. P. 1–23. DOI: https://doi.org/10.1080/01448765.2010.10510427.
  13. Kim N., Li Z., Hurth C., Zenhausern F., Chang S.-F., Attinger D. Identification of fluid and substrate chemistry based on automatic pattern recognition of stains. Anal. Methods. 2012. Vol. 4, N 1. P. 50–57. DOI: https://doi.org/10.1039/C1AY05338H.
  14. Компанец О. Н., Евдокимов Ю. М. Оптические биосенсоры генотоксикантов на основе наноконструкций ДНК и портативных дихрометров. Успехи физ. наук. 2009. Т. 179, № 3. С. 329–334. DOI: https://doi.org/10.3367/UFNr.0179.200903o.0329.
  15. Koopmans R. J., Aggeli A. Nanobiotechnology – quo vadis? Curr. Opin. Microbiol. 2010. Vol. 13, N 3. P. 327–334. DOI: https://doi.org/10.1016/j.mib.2010.01.012.
  16. Capitán-Vallvey L. F., Palma A. J. Recent developments in handheld and portable optosensing — a review. Anal. Chim. Acta. 2011. Vol. 696, N 1–2. P. 27–46. DOI: https://doi.org/10.1016/j.aca.2011.04.005.
  17. Mayeres C. H., Lee S. A., Pinnick D. A., Carter B. J., Kim J. A study of Na-DNA films containing NaCl via scanning electron and tunneling microscopies. Biopolymers. 1995. Vol. 36, N 5. P. 669–673. DOI: https://doi.org/10.1002/bip.360360512.
  18. Chen G., Mohamed G. J. Complex protein patterns formation via salt-induced self-assembly and droplet evaporation. Eur. Phys. J. E. 2010. Vol. 33, N 1. P. 19–26. DOI: https://doi.org/10.1140/epje/i2010-10649-4.
  19. Yakhno T. A. Complex pattern formation in sessile droplets of protein-salt solutions with low protein content. What substance fabricates these patterns? Phys. Chem. 2011. Vol. 1, N 1. P. 10–13. DOI: https://doi.org/10.5923/j.pc.20110101.02.
  20. Yakhno T. A. Sodium chloride crystallization from drying drops of albumin-salt solutions with different albumin concentrations. Tech. Phys. 2015. Vol. 60, N 11. P. 30–37. DOI: https://doi.org/10.1134/S1063784215110262.
  21. Zhong X., Crivoi A., Duan F. Sessile nanofluid droplet drying. Adv. Colloid Interface Sci. 2015. Vol. 217. P. 13–30. DOI: https://doi.org/10.1016/j.cis.2014.12.003.
  22. Sommer A. P., Ben-Moshe M., Magdassi S. Size-discriminative self-assembly of nanospheres in evaporating drops. J. Phys. Chem. B. 2004. Vol. 108, N 1. P. 8–10. DOI: http://dx.doi.org/10.1021/jp0363747.
  23. Raz E., Lipson S. G., Ben-Jacob E. New periodic morphologies observed during dendritic growth of ammonium chloride crystals in thin layers. J. Cryst. Growth. 1991. Vol. 108, N 3. P. 637–646. DOI: https://doi.org/10.1016/0022-0248(91)90243-X.
  24. Rozhkov S. P., Goryunov A. S. Thermodynamic study of protein phases formation and clustering in model water-protein-salt solutions. Biophys. Chem. 2010. Vol. 151, N 1–2. P. 22–28. DOI: https://doi.org/10.1016/j.bpc.2010.04.007.
  25. Rozhkov S. P., Goryunov A. S. Effects of inorganic salts on the structural heterogeneity of serum albumin solutions. Eur. Biophys. J. 2000. Vol. 28, N 8. P. 639–647. DOI: https://doi.org/10.1007/s002490050004.
  26. Glibitskiy D. M., Glibitskiy G. M., Semenov M. A., Shestopalova A. V. Textures of BSA films with iron and copper ions. Biophys. Bull. 2016. Vol. 35, N 1. P. 21–27. DOI: https://doi.org/10.26565/2075-3810-2016-35-03.
  27. Hackl E. V., Gatash S. V., Nikolov O. T. Using UHF-dielectrometry to study protein structural transitions. J. Biochem. Biophys. Methods. 2005. Vol. 63, N 2. P. 137–148. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jbbm.2005.04.002.
  28. Glibitskiy G. M. Na-DNA films with ions of metals. Biophys. Bull. 2008. Vol. 21, N 2. P. 29–34.
  29. Mandelbrot B. The Fractal Geometry of Nature. New York: W. H. Freeman and Co., 1982. 468 p.
  30. Smith T. G. (Jr.), Lange G. D., Marks W. B. Fractal methods and results in cellular morphology – dimensions, lacunarity and multifractals. J. Neurosci. Methods. 1996. Vol. 69, N 2. P. 123–136. DOI: https://doi.org/10.1016/S0165-0270(96)00080-5.
  31. Glibitskiy G. M., Glibitskiy D. M., Gorobchenko O. A., Nikolov O. T., Roshal A. D., Semenov M. A., Gasan A. I. Textures on the surface of BSA films with different concentrations of sodium halides and water state in solution. Nanoscale Res. Lett. 2015. Vol. 10, N 1. Article ID 155. DOI: https://doi.org/10.1186/s11671-015-0860-0.
  32. Glibitskiy D. M., Gorobchenko O. A., Nikolov O. T., Shestopalova A. V., Semenov M. A. Characterization of zigzag patterns on the surface of bovine serum albumin films. Biophys. Bull. 2017. Vol. 37, N 1. P. 16–29. DOI: https://doi.org/10.26565/2075-3810-2017-37-03.
  33. Glibitskiy D. M. Modeling of protein and salt redistribution during drying of a solution from a square cell. Biophys. Bull. 2018. Vol. 39, N 1. P. 55–74. DOI: http://doi.org/10.26565/2075-3810-2018-39-05.
  34. Glibitskiy D. Modeling of particle redistribution in protein-salt solution evaporating from a square cell. 1st Int. Symp. on Mechanics. Aberdeen, UK, 9–12 July 2018. URL: https://conferences-nscj.co.uk/abstract/files/10/abstract/me01_A0878.pdf.
  35. Глибицкий Г. М., Семенов М. А., Глибицкий Д. М. Текстуры пленок Na-DNA, полученные из растворов, содержащих ТРИС и ЭДТА. Бiофiз. вісн. 2011. Вип. 27, № 2. С. 26–30.
  36. Спосіб визначення впливу речовини на біополімери: пат. 110130, Україна: MPK G01N 33/48, G01N 21/956, C09K 19/38 / Г. М. Глибицький, Д. М. Глибицький; Ін-т радіофізики та електроніки ім. О. Я. Усикова НАН України. № а201312123; заявл. 16.10.2013; опубл. 25.11.2015, Бюл. № 22. 9 с.
  37. Glibitskiy D. M., Glibitskiy G. M., Gorobchenko O. O., Nikolov O. T., Semenov M. A. Textures of BSA films with sodium halides. 3rd Int. Research and Practice Conf. "Nanotechnology and nanomaterials" (NANO-2014). Yaremche; Lviv, Ukraine, 23–30 Aug. 2014. P. 538.
  38. Glibitskiy G. M., Glibitskiy D. M., Gorobchenko O. A., Nikolov O. T., Roshal A. D., Semenov M. A. Properties of films of bovine serum albumin with sodium halides. 4th Int. Conf. "Nanobiophysics 2015: Fundamental and Applied Aspects" (NBP-2015). Kyiv, Ukraine, 1–4 Oct. 2015. P. 44.
  39. Glibitskiy G. M., Jelali V. V., Semenov M. O., Roshal A. D., Glibitskiy D. M., Volyanskiy O. Yu., Zegrya G. G. Interaction of DNA with Silver Nanoparticles. Ukr. J. Phys. 2012. Vol. 57, N 7. P. 695–699.
  40. Glibitskiy D. M., Zibarov A. M. Effect of Fe(III) on BSA and its film textures. 2nd Int. Young Scientists Forum on Applied Physics and Engineering (YSF-2017). Kharkiv, Ukraine, 10–16 Oct. 2016. [CD-ROM].
  41. Glibitskiy D. M., Gorobchenko O. A., Zibarov A. M., Cheipesh T. A., Nikolov O. T., Roshal A. D., Semenov M. A., Glibitskiy G. M. Dynamic light scattering, spectral and zigzag pattern analysis of solutions and films of BSA with FeCl3. 5th Int. Conf. "NANOBIOPHYSICS: Fundamental and Applied Aspects" (NBP-2017). Kharkiv, Ukraine, 2–5 Oct. 2017. P. 60.
  42. Glibitskiy D. M., Gorobchenko O. A., Zibarov A. M., Cheipesh T. A., Nikolov O. T., Roshal A. D., Semenov M. A., Glibitskiy G. M. Zigzag patterns on the surface of BSA+AlCl3 films. 5th Int. Research and Practice Conf. "Nanotechnology and Nanomaterials" (NANO-2017). Chernivtsi, Ukraine, 23–26 Aug. 2017. P. 601.
  43. Glibitskiy D. M., Gorobchenko О. A., Nikolov O. T., Zibarov A. M., Roshal A. D., Semenov M. A., Glibitskiy G. M. Effect of flavin mononucleotide on the texture of BSA films. 4th Int. Research and Practice Conf. "Nanotechnology and nanomaterials" (NANO-2016). Lviv, Ukraine, 24–27 Aug. 2016. P. 132.
  44. Bastian M., Sigel H. The self-association of flavin mononucleotide (FMN2–) as determined by 1H NMR shift measurements. Biophys. Chem. 1997. Vol. 67, N 1–3. P. 27–34. DOI: https://doi.org/10.1016/S0301-4622(97)00012-4.
  45. Glibitskiy D. M., Gorobchenko O. A., Nikolov O. T., Cheipesh T. A., Roshal A. D., Zibarov A. M., Shestopalova A. V., Semenov M. A., Glibitskiy G. M. Effect of gamma-irradiation of bovine serum albumin solution on the formation of zigzag film textures. Rad. Phys. Chem. 2018. Vol. 144. P. 231–237. DOI: https://doi.org/10.1016/j.radphyschem.2017.08.019.
  46. Gorobchenko O. A., Nikolov O. T., Glibitskiy D. M., Roshal A. D., Shestopalova A. V., Semenov M. A., Glibitskiy G. M. Effect of gamma irradiation of protein solution on the formation of film textures. 3rd Int. Research and Practice Conf. "Nanotechnology and nanomaterials" (NANO-2015). Lviv, Ukraine, 26–29 August 2015. P. 386.
  47. Glibitskiy D., Gorobchenko O., Nikolov O., Cheipesh T., Roshal A., Zibarov A., Semenov M., Glibitskiy G. Statistical differences of zigzag patterns on films obtained from gamma irradiated BSA solutions. 1st Int. Symp. Mechanics. Aberdeen, UK, 9–12 July 2018. URL: https://conferences-nscj.co.uk/abstract/files/10/abstract/me01_A0877.pdf.