Вивчення агрегації полівінілових спиртів (9 і 31 кДа) у водному розчині методом флуоресцентного зондування
Анотація
Актуальність. При розробці методів низькотемпературного зберігання клітин серйозною проблемою є рекристалізація, яка призводить до пошкодження клітин при відігріві. Раніше була показана перспективність використання полівінілового спирту (ПВС) в якості інгібітора рекристалізації. Але механізми захисної дії ПВС з’ясовані недостатньо. Зокрема невідомо, які структурні особливості сприяють реалізації антирекристалізаційних властивостей ПВС в кріозахисному діапазоні концентрацій.
Мета роботи. Встановлення особливостей структуроутворення молекул ПВС у водних розчинах методом флуоресцентного зондування.
Матеріали і методи. Досліджено 0,1–5% (ваг.%) водні розчини ПВС з молекулярною масою (м.м.) 9 і 31 кДа. В роботі використовували метод флуоресцентних зондів, фотометрію, сталагмометрію, молекулярне моделювання.
Результати. За допомогою флуоресцентного зонда 3‑гідрокси-4¢-(N,N-диметиламіно)флавону (ФМЄ) встановлено, що в 0,1–5% водних розчинах ПВС (м.м. 9 і 31 кДа) змінюється структурна організація полімерів з утворенням різних за розмірами і будовою локальних гідрофобних областей. В розчинах ПВС м.м. 9 кДа формуються міцели з меншими порожнинами, де ФМЄ більш щільно оточений сегментами полімера. У випадку ПВС м.м. 31 кДа утворюються міцели з крупнішими за розміром та більш гідрофільними порожнинами. При вмісті речовини більш ніж 3%, агрегати ПВС м.м. 31 кДа частково руйнуються, що може бути наслідком їх переповнення водою. За цих умов відбувається збільшення міцел ПВС м.м. 9 кДа внаслідок агрегації. За даними молекулярного моделювання ПВС здатний до утворення міцних воднево-зв’язаних комплексів з поверхнею нанокристалів льоду. Такий комплекс, маючи гідрофобну поверхню, може деполяризувати молекули води, уповільнюючи цим подальше зростання кристалів льоду.
Висновки. У водних розчинах ПВС виявлені зміни структурної організації, які можуть впливати на їх рекристалізаційні властивості. Запропонований механізм реалізації антирекристалізаційної активності полімерів. Обговорюється можлива роль структури і надмолекулярної організації ПВС в розчинах в розумінні механізмів пригнічення рекристалізації при заморожуванні-відігріванні клітин.
Завантаження
Посилання
Mazur P. Freezing of living cells: Mechanisms and implications. Am. J. Physiol. 1984;247:125–42. https://doi.org/10.1152/ajpcell.1984.247.3.C125
Scott KL, Lecak J, Acker JP. Biopreservation of red blood cells: past, present and future. Transfus. Med. Rev. 2005;19:127–42. https://doi.org/10.1016/j.tmrv.2004.11.004
Deller RC, Vatish M, Mitchell DA, Gibson MI. Synthetic polymers enable non-vitreous cellular cryopreservation by reducing ice crystal growth during thawing. Nature Communications. 2014;5:3244–51. https://doi.org/10.1038/ncomms4244
Leclere M, Kwok BK, Wu LK, Allan DS, Ben RN. C-Linked antifreeze glycoprotein (C-AFGP) analogues as novel cryoprotectants. Bioconj.Chem. 2011;22:1804–10. https://doi.org/10.1021/bc2001837
Tam RY, Ferreira SS, Czechura P, Chaytor JL, Ben RN. Hydration index A better parameter for explaining small molecule hydration in inhibition of ice recrystallization. J. Am. Chem. Soc. 2008;130:17494–501. https://doi.org/10.1021/ja806284x
Deller RC, Congdon T, Sahid MA, Morgan M, Vatish M, Mitchell DA, et al. Ice recrystallization inhibition by polyols comparison of molecular and macromolecular inhibitors and role of hydrophobic units. Biomaterials Science. 2013;1:478–85. https://doi.org/10.1039/C3BM00194F
Gibson MI. Slowing the growth of ice with synthetic macromolecules: beyond antifreeze(glyco) proteins. Polym. Chem. 2010;1:1141–52. https://doi.org/10.1039/C0PY00089B
Congdon T, Notman R, Gibson MI. Antifreeze (glyco)protein mimetic behavior of poly(vinyl alcohol): detailed structure ice recrystallization inhibition activity study. Biomacromolecules. 2013;14:1578–86. https://doi.org/10.1021/bm400217j
Richards SJ, Jones MW, Hunaban M, Haddleton DM, MI Gibson. Probing bacterial-toxin inhibition with synthetic glycopolymers prepared by tandem post-polymerization modification: role of linker length and carbohydrate density. Angew. Chem. Int. Ed. 2012;51:7812–16. https://doi.org/10.1002/anie.201202945
Capicciotti CJ, Leclere M, Perras FA, Bryce DL, Paulin H, Harden J, et al. Potent inhibition of ice recrystallization by low molecular weight carbohydrate-based surfactants and hydrogelators. Chem. Sci. 2012;3:1408–16. https://doi.org/10.1039/C2SC00885H
Haymet ADJ, Ward LG., Harding MM. Winter flounder “antifreeze” proteins: synthesis and ice growth inhibition of analogues that probe the relative importance of hydrophobic and hydrogen-bonding interactions. J. Am. Chem. Soc., 1999;121:941–48. https://doi.org/10.1021/ja9801341
Gibson MI, Barker CA, Spain SG, Albertin L, Cameron NR. Inhibition of ice crystal growth by synthetic glycopolymers: implications for the rational design of antifreeze glycoprotein mimics. Biomacromolecules. 2009;10:328–33. https://doi.org/10.1021/bm801069x
Roshal AD, Grigorovich AV, Dorochenko AO, Pivovarenko VG, Demchenko AP. Flavonols as methal ion chelators. Complex formation with Mg2+ and Ba2+ cations in the excited state. J. Photochemistry and Photobiology A: Chemistry. 1999;127:89–100. https://doi.org/10.1016/S1010-6030(99)00105-7
Ercelen S, Klymchenko AS, Demchenko AP. Ultras ensitive fluorescent probe for the hydrophobic range of solvent polarities. Analytica Chimica Acta. 2002;464:273–87. https://doi.org/10.1016/S0003-2670(02)00493-2
Ercelen S, Klymchenko AS, Demchenko AP. Novel two-color fluorescence probe with extreme specifity to bovine serum albumin. FEBS Letters. 2003;538:25–8. https://doi.org/10.1016/S0014-5793(03)00116-9
Roshal AD, Organero JA, Douhal A. Tuning the mechanism of proton-transfer in a hydroxyflavone derivative. Chemical Physics Letters. 2003;379:53–9. https://doi.org/10.1016/j.cplett.2003.08.008
Moroz VV, Chalyi AG, Roshal AD. The properties of 4’-N,N-dimethylaminoflavonol in the ground and excited states. Russ. J. Phys. Chem. 2008;82(9):1464–69. https://doi.org/10.1134/S0036024408090100
Klymchenko AS, Demchenko AP. Multiparametric probing of intermolecular interactions with fluorescent dye exhibiting excited state intramolecular proton transfer. Phys. Chem. Chem. Phys. 2003;5:461–8. https://doi.org/10.1039/B210352D
Shynkar VV, Klymchenko AS, Piémont E, Demchenko AP, Mély Y. Dynamics of intermolecular hydrogen bonds in the excited states of 4’-dialkylamino-3-hydroxyflavones. On the pathway to an ideal fluorescent hydrogen bonding sensor. J. Phys. Chem. A. 2004;108:8151–9. https://doi.org/10.1021/jp047990l
Harkins WD, Brown FE. The determination of surface tension (free surface energy), and the weight of falling drops: the surface tension of water and benzene by the capillary height method. J. Am. Chem. Soc. 1919;41(4):499–24. https://doi.org/10.1021/ja01461a003
Abe M, editor. Measurement techniques and practices of colloid and interface phenomena. Springer Nature Singapore Pte Ltd. 2019; 145 p. https://doi.org/10.1007/978-981-13-5931-6
Smith MA, Neumann RM, Webb RA. A modification of the Algar-Flynn-Oyamada preparation of flavonols. J. Heteroc. Chem. 1968;5:425–6. https://doi.org/10.1002/jhet.5570050323
Klymchenko AS, Mely Y, Demchenko AP, Duportail G. Simultaneous probing of hydration and polarity of lipid bilayers with 3-hydroxyflavne fluorescent dyes. Biochim. Biophys. Acta. 2004;1665:6–19. https://doi.org/10.1016/j.bbamem.2004.06.004
Liu M, Cheng R, Qian R. Effect of solution concentration on the gelation of aqueous polyvinyl alcohol solution. J. Polym. Sci., Part B: Polym. Phys. 1995;33,1731–35. https://doi.org/10.1002/polb.1995.090331204
Rumyantsev MS, Gushchin AV. The effect of hexamethylphosphoramide solvent on the viscosity of polyvinyl alcohol solutions. Vestnik Nizhegorodskogo universiteta im. NI Lobachevskogo. 2013;1:91–4. Available from: http://www.unn.ru/pages/e-library/vestnik/99999999_West_2013_1(1)/20.pdf (in Russian)
Shinoda K, Yamaguchi T, Hori R. The surface tension and the critical micelle concentration in aqueous solution of β-D-alkyl glucosides and their mixtures. Bull. Chem. Soc. Jpn. 1961;34:237–41. https://doi.org/10.1246/bcsj.34.237
Автори, які публікуються у цьому журналі, погоджуються з наступними умовами:
- Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису роботи, як до подання цього рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи (див. The Effect of Open Access).
