Российские исследователи из ИБХФ РАН опубликовали в журнале Molecules обзорную статью «Фотоника триметинцианиновых красителей как зондов для биомолекул» Эта статья относится к специальному выпуску, посвященному недавним достижениям в области флуорогенных зондов, излучающих в видимом, ближнем инфракрасном диапазоне.
Среди красителей-зондов цианиновые (или полиметиновые) красители, имеющие в своей структуре полиметиновую цепочку, выделяются своими уникальными характеристиками. Это, прежде всего, способность нековалентно взаимодействовать с различными биомолекулами и зависимость спектрально-флуоресцентных и фотохимических свойств от молекулярного окружения, что определило их широкое использование в практике научных исследований. В настоящее время в мировой научной литературе выпускается масса работ по исследованию взаимодействия цианиновых красителей с биомолекулами и разработке красителей-зондов для биомолекул. В новом обзоре, суммированы и критически рассмотрены работы, посвященные изучению взаимодействия с биомолекулами одного из наиболее распространенных и наиболее изученных классов цианинов – триметинцианиновых красителей (рис. 1).
Рис. 1. Общая формула триметинцианиновых красителей. R, R1 и R2 – заместители, B1 и B2 – концевые гетероциклы.
В присутствии биомолекул (ДНК и других нуклеиновых кислот, альбуминов и других белков), как правило, возрастает флуоресценция цианинов, что дает предпосылки для их использования в качестве спектрально-флуоресцентных зондов. Например, их использование при исследовании ДНК (рис. 2.) позволяет определять микроколичества ДНК в образцах in vitro c пределом обнаружения 2–20 × 10-8 моль л-1 (пар оснований). Применяются цианиновые красители для нековалентного меченья нуклеиновых кислот в процедурах электрофореза. Цианиновые красители применяются в микроскопии, для окрашивания образцов, в том числе в системах, преодолевающих дифракционные ограничения, например, Stochastic Optical Reconstruction Microscopy (STORM). Цианиновые красители были применены для обнаружения ядерных структур клеток методами двухцветной флуоресцентной гибридизации in situ (FISH) с помощью конфокальной лазерной сканирующей микроскопии. Цианины используются как РНК-селективные индикаторы, испускающие в дальне-красной области спектра. Использованы цианиновые красители специфичных флуоресцентных зондов для обнаружения G-квадруплексов.
Рис. 2. Взаимодействие цианинов с ДНК может осуществляться двумя способами – в малом желобе двойной спирали ДНК (а) и путем интеркаляции между парами оснований ДНК.
В обзоре уделено внимание также способности цианинов как самопроизвольно, так и при взаимодействии с макромолекулами образовывать супрамолекулярные структуры, в частности J- и H-агрегаты. Эффекты агрегации впервые использованы для разработки эффективных флуоресцентных зондов нового типа. При этом коллективом авторов с участием ученых из ИБХФ РАН ранее были выполнены исследования агрегации цианинов в присутствии макромолекул [Tatikolov, A.S.; Panova, I.G., High Energy Chem. 2005, 39, 232–236. https://doi.org/10.1007/s10733-005-0047-9; Pronkin, P.G.; Tatikolov, A.S., J. Appl. Spectrosc. 2017, 84, 217–224. https://doi.org/10.1007/s10812-017-0454-y], агрегация цианинового красителя позволила получить новые данные о белковом составе среды глаза [Panova, I.G.; Tatikolov, A.S., Dokl. Biol. Sci. 2005, 402, 183–185. https://doi.org/10.1007/s10630-005-0082-1; Panova, I.G.; Sharova, N.P.; Dmitrieva, S.B.; Poltavtseva, R.A.; Sukhikh, G.T.; Tatikolov, A.S., Anal. Biochem. 2007, 361, 183–189. https://doi.org/10.1016/j.ab.2006.11.029; Panova, I.G.; Sharova, N.P.; Levin, P.P.; Dmitrieva, S.B.; Tatikolov, A.S. Comp. Biochem. Physiol. Mol. Integr. Physiol. 2008, 151, 676–681. https://doi.org/10.1016/j.cbpa.2008.08.020].
В новом обзоре рассматривается влияние биомолекул на элементарные фотохимические процессы в молекулах триметинцианинов: транс-цис-фотоизомеризация относительно одной из С-С связей полиметиновой цепочки, генерация и гибель триплетного состояния, в исследование которых авторы обзора также внесли свой вклад [Tatikolov, A.S.; Akimkin, T.M.; Pronkin, P.G.; Yarmoluk, S.M, Chem. Phys. Lett. 2013, 556, 287–291. https://doi.org/10.1016/j.cplett.2012.11.097; Tatikolov, A.S.; Pronkin, P.G., J. Appl. Spectrosc. 2019, 85, 991–996. https://doi.org/10.1007/s10812-019-00749-w; Pronkin, P.G.; Tatikolov, A.S. Spectrochim. Acta Part A: Mol. Biomol. Spectrosc. 2022, 269, 120744. https://doi.org/10.1016/j.saa.2021.120744; Pronkin, P.G.; Tatikolov, A.S. Spectrochim. Acta Part A Mol. Biomol. Spectrosc. 2021, 263, 120171. https://doi.org/10.1016/j.saa.2021.120171].
Рост квантового выхода в триплет триметинцианинов при связывании с биомолекулами потенциально может быть использован для селективной фотодинамической терапии: фотоповреждение красителем целевой биомолекулы в центре связывания (например, в опухоли), в то время как несвязанный краситель не будет оказывать повреждающего действия. Есть данные об активности триметинцианинов в отношении раковых клеток. Цианиновые красители нового поколения нашли применение в медицинской онкологической практике, гистопатологии, в тераностике. В заключение обсуждаются перспективы дальнейших исследований системы цианиновый краситель–биомолекула и разработки новых эффективных спектрально-флуоресцентных и фотохимических зондов для биомолекул.
