Публикация доступна для обсуждения в рамках функционирования постоянно
действующей интернет-конференции “Бутлеровские чтения”. http:///readings/
Поступила в редакцию 23 декабря 2014 г. УДК 547.639.5.
Сорбция бычьего сывороточного альбумина гибридным органо-неорганическим материалом на основе наночастиц диоксида кремния, функционализированных кремнийорганическим производным тиакаликс[4]арена
© ,
и *+
Кафедра органической химии. Химический институт им. . Казанский (Приволжский) федеральный университет. Ул. Кремлевская, 18. г. Казань, 420008. Россия.
Тел.: (843) 233-74-62. E-mail: ivan. *****@***ru
_______________________________________________
*Ведущий направление; +Поддерживающий переписку
Ключевые слова: тиакаликсарены, наночастицы, белки, сорбция
Аннотация
Предложен новый сорбент, сочетающий высокую удельную площадь поверхности, обусловленную наночастицами диоксида кремния, и высокую эффективность связывания биополимера, характерную для производных тиакаликс[4]арена. Проведена модификация наночастиц диоксида кремния кремнийорганическим производным тиакаликс[4]арена. Удаление воды от коллоидной суспензии поверхностно функционализированных наночастиц диоксида кремния позволило получить водонерастворимый сорбент, для которого показана высокая эффективность сорбции бычьего сывороточного альбумина. Исследование кинетики и ёмкости сорбции бычьего сывороточного альбумина показывает, что достигнута высокая ёмкость связывания – до 160 мг белка на 1 г сорбента, в соответствии с экспериментами по кинетике сорбции – насыщение белком сорбента достигается в течение 60 минут.
Введение
В настоящее время одним из бурно развивающихся направлений на стыке химии супрамолекулярных рецепторов и химии наноматериалов является модификация поверхности наночастиц объёмными рецепторными фрагментами с функциональными группами, пространственно предорганизованными для связывания субстрата [1]. В данном направлении достигнуты определённые успехи: разработаны коллоидные рецепторы, осуществляющие связывание неорганических катионов [2] и анионов [3], биологически важных субстратов [4] и, в частности, биополимеров [5]. В то же время, разработка материалов, позволяющих осуществлять эффективное связывание и разделение биополимеров [6], является одной из фундаментальных задач современного материаловедения.
Среди разнообразия макроциклических соединений метациклофаны привлекают особое внимание исследователей благодаря возможности создания предорганизованных полостей, образованных связывающими группами. Производные п-трет-бутилтиакаликс[4]арена особенно интересны благодаря размеру макроцикла, который обеспечивает возможность получения конформеров, региоселективной функционализации, а также возможности реализации нескольких пространственных конфигураций конус, частичный конус, 1,3-альтернат [7-16].
Таким образом, одним из актуальных направлений исследований является разработка методики получения материалов, позволяющих за счёт объединения преимуществ наночастиц диоксида кремния и макроциклической платформы п-трет-бутилтиакаликс[4]арена осуществлять эффективную сорбцию белков (как с точки зрения кинетики данного процесса, так и с точки зрения ёмкости сорбента). Решение данной задачи открывает возможности создания сорбентов, позволяющих связывать белки с селективностью и эффективностью, программируемой регио - и стереоселективной функционализацией производных тиакаликс[4]арена.
Ранее в нашей научной группе было изучено влияние поверхностной модификации наночастиц диоксида кремния на их агрегацию в водных растворах [17], разработаны подходы к модификации наночастиц диоксида кремния производными п-трет-бутилтиакаликс[4]арена, в частности, изучено влияние конфигурации производного тиакаликс[4]арена на агрегацию частиц [18], изучена поликонденсация кремнийорганических производных п-трет-бутилтиакаликс[4]арена [19].
В рамках данной работы предложен подход к получению наноструктурированного сорбента на основе наночастиц диоксида кремния, функционализированных кремнийорганическим производным п-трет-бутилтиакаликс[4]арена. Полное удаление воды из коллоидной суспензии функционализированных наночастиц диоксида кремния позволило получить водонерастворимый материал, для которого была показана эффективная сорбция бычьего сывороточного альбумина из водного раствора при нейтральном значении pH.
Экспериментальная часть
Спектры ЯМР 1Н записывали на спектрометре Bruker Avance-400 на рабочей частоте 400 МГц. Химические сдвиги протонов определялись относительно сигналов остаточных протонов дейтериро-ванного растворителя: CDCl3. Концентрация анализируемых растворов составляла 3-5%.
Элементный анализ кристаллических образцов был выполнен на приборе Perkin Elmer 2400 Series II.
ИК-спектры регистрировали на Фурье-спектрометре Spectrum 400 (Perkin Elmer).
Масс-спектры регистрировали на масс-спектрометре Bruker Ultraflex III MALDI-TOF (в матрице п-нитроанилина).
Температуру плавления веществ определяли на нагревательном столике Boetius.
5,11,17,23-Тетра-трет-бутил-25,26,27,28-тетра[(гидроксикарбонил)метокси]-тиакаликс[4]арен (конус 1) был синтезирован как описано ранее [20], Т. пл. (1) 180 ºС (лит. 180 ºС).
5,11,17,23-Тетра-трет-бутил-25,26,27,28-тетракис[N-(пропилтриметоксисиланат)-карбамоилметокси]-2,8,14,20-тетратиакаликс[4]арен (конус 2) был синтезирован как описано ранее [18]. В круглодонной колбе, снабжённой магнитной мешалкой и обратным холодильником, в течение 3 часов кипятили смесь 1 г тетракислоты 1 в 12 мл SOCl2. Растворитель отгоняли, и сухой остаток сушили, подсоединив трубку, наполненную щёлочью, в вакууме. Полученный хлорангидрид растворяли в сухом тетрагидрофуране и смешивали с раствором 0.79 мл (4.41 ммоль) 3-триэтоксисилилпропан-1-амина и 0.62 мл (4.41 ммоль) триэтиламина в ТГФ. Смесь перемешивали в течение 24 часов при комнатной температуре. Растворитель удалили в вакууме. Остаток растворяли в 15 мл диэтилового эфира, отфильтровывали. Фильтрат упаривали.
Выход продукта 2 1.18 г (70%), Т. пл. 82 °С.
Спектр ЯМР 1H (CDCl3, d, м. д., J/Гц): 0.67 (м, 8H, CH2–Si), 1.10 (с, 36H, C(CH3)3), 1.70 (м, 8H, CH2CH2CH2), 3.40 (м, 8H, NHCH2), 3.55 (с, 36H, (OCH3)3), 4.83 (с, 8H, OCH2), 7.32 (с, 8H, ArH), 7.97 (уш. с., 4H, NH).
Спектр ЯМР 13С (CDCl3, d, м. д., J/Гц): 168.2, 157.7, 147.4, 134.8, 128.1, 74.52, 50.5, 42.0, 34.3, 31.1, 22.1, 6.6.
ИК-спектр (n/cм-1): 1653, 1549, 1506 (CO(NH)).
Масс-спектр (MALDI-TOF): Вычислено [M+] m/z = 1597.8, найдено [M+H]+ m/z = 1598.3, [M+Li]+ m/z = 1605.2, [M+Na]+ m/z = 1620.2, [M+K]+ m/z = 1636.1. Элементный анализ: Вычислено: C72H116N4O20S4Si4 (%): C, 52.90; H, 7.10; N, 3.68; S, 11.05, Si, 8.37. Найдено (%): C, 52.78; H, 7.04; N, 3.64; S, 10.92, Si, 8.28.
Модификация поверхности нанопорошка диоксида кремния (d=12 нм по данным TEM, Sigma-aldrich) кремнийорганическим производным тиакаликс[4]арена проводилась в ледяной уксусной кислоте под действием ультразвука: в 50 мл уксусной кислоты растворяли 1 г нанопорошка и 0.1 г кремнийорганического производного тиакаликсарена и оставляли при комнатной температуре (20°С). Далее коллоидный раствор центрифугировали и промывали порциями по 30 мл ацетона при повторном ультразвуковом диспергировании – центрифугировании. Далее растворяли частицы в воде, растворитель упаривали на роторном испарителе при температуре 80 °С. Образовавшийся порошок промывали порциями по 30 мл воды, перемешивая в течение 20 минут с использованием шейкера IKA MS3 Digital и отделяя декантацией. Высушили осадок в вакуумном эксикаторе над P2O5.
Адсорбция белка. Эксперименты по сорбции бычьего сывороточного альбумина проводились в 100 мМ буфере TRIS∙HCl, оттитрованном раствором гидроксида натрия до pH=7. Концентрация бычьего сывороточного альбумина была определена методом УФ-спектроскопии по полосе поглощения в области 280 нм. Была приготовлена серия из 14 растворов с концентрацией белка 10 mМ в полистирольных виалах объёмом 10 мл. Для полного растворения белка растворы перемешивались на шейкере IKA MS3 Digital в течение 2 часов. Далее к растворам был добавлен сорбент в количестве 50 мг. Перемешивание сорбента с аналитом осуществлялось на шейкере IKA MS3 Digital при скорости 1000 колебаний в минуту. Съёмка спектров с двумя повторностями проводилась через 2, 5, 10, 15, 30, 60, 120 минут после смешения.
Результаты и их обсуждение
По ранее опубликованной методике [18] из производного тиакаликс[4]арена 1 в конфигурации конус было получен макроцикл 2, содержащий триметоксисилильные группы по нижнему ободу (схема 1).
Схема 1. Схема получения соединения 2
Одной из задач, поставленных в рамках данного исследования, было получение наноструктурированного сорбента непосредственно из поверхностно функционализированных наночастиц. Главным требованием является простота отделения сорбента. Для реализации поставленной цели был выбран следующий подход: при удалении растворителя наночастицы агломерируют в порошок. Наличие кремнийорганических производных тиакаликсарена на поверхности наночастиц в соответствии с предложенным подходом необходимо не только для связывания белка, но и для образования дополнительных связей Si-O-Si между частицами. Для решения поставленной задачи была проведена модификация поверхности нанопорошка диоксида кремния кремнийорганическим производным тиакаликсарена 2 в ледяной уксусной кислоте (схема 2).
Схема 2. Схема получения частиц 3
Была получена монодисперсная коллоидная система субмикронных частиц 3 (рис. 1). Индекс полидисперсности составил 0.2, а размер частиц 300±15 нм (100% частиц в соответствии с распределением частиц по интенсивности). Процедура повторного центрифугирования-диспергирования в ацетоне была проведена для удаления низкомолекулярных побочных продуктов поликонденсации кремнийорганических производных тиакаликсарена.
Рис. 1. Размерное распределение частиц по интенсивности для раствора 3 (0.1 г/мл)
в уксусной кислоте
Затем были подобраны условия, позволяющие получить водонерастворимый сорбент на основе полученных субмикронных агрегатов наночастиц. Для этого частицы были редиспергированы в воде, а затем коллоидная суспензия была высушена при нагревании. Данный подход позволяет вызвать агрегацию наночастиц (рис. 2).
Рис. 2. Образование водонерастворимого сорбента из субмикронных агрегатов наночастиц диоксида кремния, поверхностно функционализированных соединением 2.
Концентрация бычьего сывороточного альбумина была подобрана по УФ-спектру поглощения – по интенсивности полосы поглощения в области 280 нм - и составила 10 µМ (0.66 мг/мл), что соответствует оптической плотности полосы поглощения 0.8. В соответствии с полученными данными, сорбент достигает практически полного насыщения белком в течение одного часа, и удельное содержание белка составляет 160 мг белка на 1 г сорбента. Данная удельная концентрация значительно выше, чем опубликованные значения для сорбции бычьего сывороточного альбумина немодифицированными наночастицами диоксида кремния (менее 100 мг на 1 г сорбента) [21] и близка к результатам, достигнутым при экстракции бычьего сывороточного альбумина поверхностно функционализированными магнитными наночастицами, покрытыми диоксидом кремния (до 150 мг на 1 г сорбента) [22]. Следует отметить простоту применения разработанного сорбента по сравнению с ближайшими литературными аналогами, сочетающую лёгкость выделения биополимеров (из-за нерастворимости в водных средах и быстрой седиментации порошка в течение нескольких секунд).
Рис. 3. Кинетика сорбции бычьего сывороточного альбумина из водного раствора сорбентом на основе наночастиц диоксида кремния, функционализированных кремнийорганическим производным п-трет-бутилтиакаликс[4]арена
В соответствии с данными кинетических экспериментов, применение в качестве подложки наночастиц диоксида кремния позволило значительно повысить скорость сорбции – в течение 1 часа происходит насыщение сорбента белком (рис.3), по сравнению с пористыми сорбентами, в случае которых ёмкость выше, но требуется до 4 часов для достижения равновесия [23].
Заключение
Таким образом, реализована модификация наночастиц диоксида кремния кремнийорганическим производным п-трет-бутилтиакаликс[4]арена, что позволило получить агрегаты наночастиц диаметром 300 нм. На основе полученных наночастиц был получен водонерастворимый сорбент, легко отделяемый седиментацией от раствора белка. Показана высокая эффективность и скорость сорбции бычьего сывороточного альбумина.
Выводы
Впервые показана возможность получения сорбента, позволяющего связывать белки, на основе наночастиц диоксида кремния, функционализированных производными тиакаликсарена. Показано, что сорбция бычьего сывороточного альбумина в растворе с нейтральным pH происходит с большой скоростью (насыщение сорбента достигается в течение 60 минут), достигнута сравнительно высокая для диоксида кремния ёмкость сорбента – 160 мг/г. Дальнейшие исследования будут посвящены изучению влияния конфигурации кремнийорганического производного п-трет-бутилтиакаликс[4]арена на сорбцию ряда белков, различающихся размерами и зарядом.Благодарности
Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ мол_а 14-03-31578.
Литература
[1] Kim H. J., Lee M. H., Mutihac L., Vicens J., Kim J. S. Host–guest sensing by calixarenes on the surfaces. Chem. Soc. Rev. 2012. Vol. 41(3). P.1173-1190.
[2] Becuwe M., Rouge P., Gervais C., Cailleu D., Courty M., Dassonville-Klimpt A., Sonnet P., Baudrin A. Calix [4] arene-modified silica nanoparticles for the potentiometric detection of iron (III) in aqueous solution. Comptes Rendus Chimie. 2012. Vol.15(4). P.290-297.
[3] Sayin S., Ozcan F., Yilmaz M. Synthesis and evaluation of chromate and arsenate anions extraction ability of a N-methylglucamine derivative of calix [4] arene immobilized onto magnetic nanoparticles. J. Hazard. Mater. 2010. Vol.178(1). P.312-319.
[4] Valluru G., Georghiou P. E., Sleem H. F., Perret F., Montasser I., Grandvoinnet A., Brolles L., Coleman A. W. Molecular recognition of nucleobases and amino acids by sulphonato-calixnaphthalene-capped silver nanoparticles. Supramol. Chem. 2014. P.1-9.
[5] Yuskova E. A., Ignacio-de Leon P. A.A., Khabibullin A., Stoikov I. I., Zharov I. Silica nanoparticles surface-modified with thiacalixarenes selectively adsorb oligonucleotides and proteins J. Nanopart. Res. 2013. 15(10). P.1-9.
[6] Ispas C., Sokolov I., Andreescu S. Enzyme-functionalized mesoporous silica for bioanalytical applications. Anal. Bioanal. Chem. 2009. V.393(2). P.543-554.
[7] Kumar, R., Lee Y. O., Bhalla V., Kumar M., Kim J. S. Recent developments of thiacalixarene based molecular motifs. Chem. Soc. Rev. 2014. P.4824–4870.
[8] , , Стойков оснований Шиффа на основе п-трет-бутилтиакаликс[4]арена в конформации 1,3-альтернат. Бутлеровские сообщения. 2012. Т.31. №8. С.1-6.
[9] , , Будников потенциометрические сенсоры на основе макроциклических лигандов для определения карбонат-ионов. Бутлеровские сообщения. 2011. Т.28. №19. С.59-66.
[10] , , Стойков рецептор на основе олигоаммонийного производного п-трет-бутилтиакаликс[4]арена: взаимодействие с нуклеиновыми кислотами. Бутлеровские сообщения. 2011. Т.28. №18. С.57-62.
[11] , , Стойков новых водорастворимых производных п-трет-бутилтиакаликс[4]арена, содержащих четвертичные аммонийные фрагменты. Бутлеровские сообщения. 2013. Т.34. №5. C.1-10.
[12] , , Стойков поликарбоксилированных дендримеров на основе п-трет-бутилтиакаликс[4]арена в конформации 1,3-альтернат. Бутлеровские сообщения. 2013. Т.36. №10. С.37-42.
[13] , , Стойков и флуоресцентные свойства 1,3-ди - и тетразамещенных по нижнему ободу тиакаликс[4]аренов, содержащих нафтильные фрагменты. Бутлеровские сообщения. 2012. Т.32. №12. С.1-7.
[14] , , Стойков моно - и 1,3-дизамещенных по нижнему ободу тиакаликс[4]аренов, содержащих фотопереключаемый 4-амидоазобензольный фрагмент. Бутлеровские сообщения. 2012. Т.31. №8. С.18-24.
[15] , , Стойков зонды на фторид-ион на основе 1,3-дизамещенных по нижнему ободу тиакаликс[4]аренов, содержащих антрахиноновые фрагменты. Бутлеровские сообщения. 2012. Т.29. №2. С.8-12.
[16] , , Ризванов коллоидных силсесквиоксанов на основе кремнийорганических производных п-трет-бутилтиакаликс[4]арена. Бутлеровские сообщения. 2012. Т.32. №12. C.8-14.
[17] Gorbachuk V. V., Yakimova L. S., Mostovaya O. A., Bizyaev D. A., Bukharaev A. A., Antipin I. S., Konovalov A. I., Zharov I., Stoikov I. I. Silica nanoparticles with proton donor and proton acceptor groups: synthesis and aggregation. Silicon. 2011. Vol.3(1). P.5-12.
[18] Stoikov I. I., Vavilova A. A., Badaeva R. D., Gorbachuk V. V., Evtugyn V. G., Sitdikov R. R., Yakimova L. S., Zharov I. Synthesis of hybrid nano-and microsized particles on the base of colloid silica and thiacalix [4] arene derivatives. J. Nanopart. Res. 2013. Vol.15(5). P.1-14.
[19] Gorbachuk V. V., Yakimova L. S., Vavilova A. A., R. V. Ziatdinova, I. Kh. Rizvanov, A. A. Trifonov, A. I. Samohina, V. G. Evtugyn, I. I. Stoikov. MALDI-TOF MS and Morphology Studies of Thiacalixarene-Silsesquioxane Products of Oligo-and Polycondensation. Silicon. 2014. P.1-12.
[20] Iki N., Morohashi N., Narumi F., Fujimoto T., Suzuki T., Miyano S. Novel molecular receptors based on a thiacalix[4]arene platform. Preparations of the di - and tetracarboxylic acid derivatives and their binding properties towards transition metal ions. Tetrahedron Lett. 1999. Vol.40. P.7337-7341.
[21] Song L., Yang K., Jiang W., Du P., Xing B. Adsorption of bovine serum albumin on nano and bulk oxide particles in deionized water. rf. B: Biointer. 2012. – Vol.94. – P.341-346.
[22] Liang H. F., Wang Z. C. Adsorption of bovine serum albumin on functionalized silica-coated magnetic MnFe2O4 nanoparticles. Mater. Chem. Phys. 2010. Vol.124(2). P.964-969
[23] Diao X., Wang Y., Zhao J., Zhu S. Effect of pore-size of mesoporous SBA-15 on adsorption of bovine serum albumin and lysozyme protein. Chinese J. Chem. Eng. 2010. Vol.18(3). P.493-499.
Sorption of bovine serum albumin by hybrid organo-inorganic material based on silica nanoparticles, functionalized with organosilicon derivative of thiacalix[4]arene
© Gorbachuk Vladimir Valeryevich, Ziatdinova Ramilia Vasilevna, Stoikov Ivan Ivanovich*+
A. M. Butlerov Chemical Institute, Kazan Federal University, 420008, Kremlevskaya St., 18, Kazan, Russian Federation. Tel.: (843) 233-74-62. E-mail: ivan. *****@***ru
_______________________________________________
*Supervising author; +Corresponding author
Keywords: thiacalixarenes, nanoparticles, proteins, sorption
Abstract
New sorbent, combining high surface area provided by silicon dioxide nanoparticles, and high effectivity of biopolymer binding, which is characteristic for thiacalix[4]arene derivatives is obtained. Modification of silica nanoparticles with organosilicon derivative of thiacalix[4]arene was carried out. Removal of water from colloidal suspension of surficially functionalized silica nanoparticles has allowed to obtain water-insoluble sorbent, for which high effectivity of bovine serum albumin sorption was shown. Investigation of bovine serum albumin sorption capacity and kinetics shows that high binding capacity is obtained – up to 160 mg protein per 1 g of sorbent, in correspondence with experiments on sorption kinetics – adsorption of protein reaches maximum during 60 minutes.
|
