Увидеть гибкость отдельных молекул

Физики МГУ совместно с учеными из университета «Сириус», МФТИ и Института материаловедения Мюлуза (Франция) исследовали фундаментальные свойства гиалуроновой кислоты в растворах ионов с помощью новой методики на основе атомно-силовой микроскопии (АСМ). Результаты работы дают новый взгляд на механические свойства гиалуроновой кислоты на масштабе отдельных молекул.

Гиалуроновая кислота — распространенное в природе вещество. Она практически не изменялась в процессе эволюции, в частности, у человека и бактерий она похожа. Поэтому гиалуроновая кислота не вызывает иммунной реакции, то есть является биосовместимой. У человека она входит в состав кожи, пуповины, синовиальной жидкости, стекловидного тела глаза и других тканей и органов. Гиалуроновая кислота оказывает ряд терапевтических эффектов и поэтому используется при лечении зубов, глаз, кожи, сердечно-сосудистой системы. Ее также используют в качестве импланта в эстетической медицине.

Гиалуроновая кислота — отрицательно заряженный полисахарид (длинная молекула). Для применения гиалуроновой кислоты полезно знать ее фундаментальные свойства: конформацию (пространственное расположение атомов), размер и механические свойства. Молекула ведет себя по-разному в окружении разных ионов и концентрации солей в растворе из-за наличия у нее заряда. Поэтому важно определить изменение свойств в разных средах.

Свойства гиалуроновой кислоты хорошо охарактеризованы методами исследования в объеме, то есть основанными на анализе большого числа молекул. Недостаток таких методов — невозможность изучения поведения отдельных молекул. Авторы исследования развили подходы для исследования отдельных молекул гиалуроновой кислоты с помощью атомно-силовой микроскопии. В частности, они разработали методику иммобилизации молекул гиалуроновой кислоты на модифицированную поверхность графита и определили персистентную длину этого биополимера в различном ионном окружении. Персистентная длина — одна из фундаментальных характеристик молекулы полимера, длина примерно прямолинейного ее участка. Она напрямую связана с размером и гибкостью макромолекулы. Для ее определения ученые анализировали контуры молекул гиалуроновой кислоты на АСМ-изображениях.

В результате ученые подтвердили закономерность: с увеличением ионной силы в растворе гибкость молекулы увеличивается, а персистентная длина уменьшается. Этот процесс описывается моделью Одийка — Сколника — Фиксмана (OSF): в растворе ионов происходит дебаевская экранировка зарядов вдоль молекулы гиалуроновой кислоты и уменьшение их самоотталкивания.

«В своей работе мы, грубо говоря, впервые напрямую увидели, как изменяется конформация и гибкость отдельных молекул гиалуроновой кислоты в растворах солей. Значения персистентной длины, рассчитанные на основе анализа отдельных молекул гиалуроновой кислоты, имеют тот же порядок, что и значения, определенные оптическими методами, вискозиметрией, хроматографией и молекулярным моделированием. Однако конформация и персистентная длина гиалуроновой кислоты, определенные на основе анализа отдельных молекул, могут быть более важными для разработки молекулярных наноструктур с требуемыми свойствами и архитектурой. Кроме того, мы внесли вклад в методологию АСМ-исследования полисахаридов с субмолекулярным разрешением», — прокомментировал работу доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник кафедры физики полимеров и кристаллов физического факультета МГУ Евгений Дубровин.

Ученые продолжат работу в направлении разработки биоматериалов на основе гиалуроновой кислоты.

Статья опубликована в журнале Carbohydrate Polymers. 

По материалам пресс-службы МГУ