Детектирование спектров комбинационного рассеяния света высокого спектрального разрешения в коротких олигонуклеотидах: сравнение со спектрами полноразмерных ДНК

Представлены результаты исследования спектров высокого спектрального разрешения высокочувствительным методом нерезонансного комбинационного рассеяния света в биомакромолекулах на примере одноцепочных коротких олигонуклеотидов d(20G, 20T). Обнаружение узких спектральных линий позволило определить характерный масштаб времен колебательных возбуждений и дает возможность изучения динамики быстропротекающих релаксационных процессов колебательных движений атомов в биомакромолекулах. Так, для одной из наиболее узких линий при 1355,4 см^-1, приписываемой колебаниям метильной группы dT, показано, что полная ширина линии на половине ее высоты составляет 14,6 см^-1 и соответствующее время жизни оказалось равным 0,38 пс. Выполнено сравнение полученных спектров с полными спектрами комбинационного рассеяния света высушенной полномерной ДНК теленка, определенными с высоким спектральным и пространственным разрешением и обнаруженными в широком спектральном диапазоне частот рассеянного света 6...4000 см^-1. Полученные результаты показывают, что короткие олигонуклеотиды могут быть использованы в качестве удачных модельных объектов для исследования молекулярной структуры ДНК при изучении их вторичных структур. Они могут быть востребованными и при создании и исследовании на основе таких коротких олигонуклеотидов различных комплексов с неорганическими полупроводниковыми наноструктурами. Представленные результаты открывают новые возможности для проведения теоретических и экспериментальных исследований, необходимых для достижения более глубокого понимания фундаментальной взаимосвязи структура-свойства комплексов квантоворазмерных полупроводниковых наноструктур и биомолекул и, следовательно, интересны для бурно развивающихся в настоящее время направлений нанобиоэлектроники.

Литература

[1] Computational tools for the synthetic design of biochemical pathways / H. Marnix, M.H. Medema, R. Raaphorst, E. Takano, R. Breitling // Nature Reviews Microbiology. 2012. Vol. 10. No. 3. Р. 191-202. DOI: 10.1038/nrmicro2717 URL: http://www.nature.com/nrmicro/journal/v10/n3/full/nrmicro2717.html

[2] Fleischmann M., Hendra P.J., McQuillan A.J. Raman spectra of pyridine adsorbed at a silver electrode // Chem. Phys. Lett. 1974. Vol. 26. No. 2. Р. 163-166. DOI: 10.1016/0009-2614(74)85388-1 URL: http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/0009261474853881

[3] Jeanmaire D.L., Van Duyne R.P. Surface Raman spectroelectrochemistry. Part I. Heterocyclic, aromatic, and aliphatic amines adsorbed on the anodized silver electrode // J. Electroanal. Chem. 1977. Vol. 84. No. 1. P. 1-20. DOI: 10.1016/S0022-0728(77)80224-6 URL: http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0022072877802246

[4] Albrecht M.G., Creighton J.A. Anomalously intense Raman spectra of pyridine at a silver electrode // Journal of the American Chemical Society. 1977. Vol. 99. No. 15. P. 5215-5217. DOI: 10.1021/ja00457a071 URL: http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ja00457a071

[5] McCall S.L., Platzman P.M., Wolff P.A. Surface enhanced Raman scattering // Physics Letters A. 1980. Vol. 77. No. 5. P. 381-383. DOI: 10.1016/0375-9601(80)90726-4 URL: http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/0375960180907264

[6] Wang D.-S., Kerker M., Chew H.W. Raman and fluorescent scattering by molecules embedded in dielectric spheroids // Appl. Opt. 1980. Vol. 19. No. 14. P. 2315-2328. DOI: 10.1364/AO.19.002315 URL: https://www.osapublishing.org/ao/abstract.cfm?uri=ao-19-14-2315

[7] Gersten J.I., Nitzan A. Spectroscopic properties of molecules interacting with small dielectric particles // J. Chem. Phys. 1981. Vol. 75. No. 3. P. 1139-1152. DOI: 10.1063/1.442161 URL: http://aip.scitation.org/doi/10.1063/1.442161

[8] Otto A. In light scattering in solids IV. Electronic scattering, spin effects, SERS and morphic effects / Ed. by M. Cardona and G. Guntherodt. Berlin: Springer-Verlag, 1984.

[9] Kneipp K., Fassler D. SERS excitation profile investigation of a cyanine dye adsorbed on silver colloidal particles // Chem. Phys. Lett. 1984. Vol. 106. No. 6. P. 498-502.

[10] Moskovits M. Surface-enhanced spectroscopy // Rev. Mod. Phys. 1985. Vol. 57. P. 783-826. DOI: 10.1103/RevModPhys.57.783 URL: http://journals.aps.org/rmp/abstract/10.1103/RevModPhys.57.783

[11] Набиев И.Р., Ефремов Р.Г., Чуманов Г.Д. Гигантское комбинационное рассеяние и его применение к изучению молекул // УФН. 1988. Т. 154. № 3. C. 459-496. DOI: 10.3367/UFNr.0154.198803d.0459

[12] Otto A., Mrozek I., Grabhorn H., Akemann W. Surface-enhanced Raman scattering // J. Phys.: Condens. Matter. 1992. Vol. 19924. P. 1143-1212.

[13] Single molecule detection using surface-enhanced Raman scattering (SERS) / K. Kneipp, Y. Wang, H. Kneipp, L.T. Perelman, I. Itzkan, R.R. Dasari, M.S. Feld // Physical Review Letters. 1997. Vol. 78. No. 9. P. 1667-1670. DOI: 10.1103/PhysRevLett.78.1667 URL: https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.78.1667

[14] Nie S., Emory S.R. Probing single molecules and single nanoparticles by surface-enhanced Raman scattering // Science. 1997. Vol. 275. No. 5303. P. 1102-1106. DOI: 10.1126/science.275.5303.1102 URL: http://science.sciencemag.org/content/275/5303/1102

[15] Campion A., Kambhampati P. Surface enhanced Raman scattering // Chem. Soc. Rev. 1998. Vol. 27. P. 241-249. DOI: 10.1039/A827241Z URL: http://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/1998/CS/a827241z#!divAbstract

[16] Cao Y.C., Jin R., Mirkin C.A. Nanoparticles with Raman spectroscopic fingerprints for DNA and RNA detection // Science. 2002. Vol. 297. No. 5586. P. 1536-1540. DOI: 10.1126/science.297.5586.1536 URL: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/12202825

[17] Surface-enhanced Raman difference spectroscopy with adaptive nanostructures: Human insulin and insulin lispro / V.P. Drachev, M.D. Thoreson, E.N. Khaliullin, V.J. Davison, V.M. Shalaev // Journal of Physical Chemistry B. 2004. Vol. 108. No. 46. P. 18046-18052. DOI: 10.1021/jp047254h URL: http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jp047254h

[18] Vo-Dinh T., Yan F., Wabuyele M.B. Surface-enhanced Raman scattering for medical diagnostics and biological imaging // J. Raman Spectrosc. 2005. Vol. 36. P. 640-647. DOI: 10.1002/jrs.1348 URL: http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/jrs.1348/pdf

[19] In vivo tumor targeting and spectroscopic detection with surface-enhanced Raman nanoparticle tags / X. Qian, X. Peng, D.O. Ansari, Q. Yin-Goen, G.Z. Chen, M.D. Shin, L. Yang, A.N. Young, M.D. Wang, S. Nie // Nature Biotechnology. 2008. Vol. 26. P. 83-90. DOI: 10.1038/nbt1377 URL: http://www.nature.com/nbt/journal/v26/n1/abs/nbt1377.html

[20] Sun L., Irudayar J. Quantitative surface-enhanced Raman for gene expression estimation // Biophysical Journal. 2009. Vol. 96. No. 11. P. 4709-4716. DOI: 10.1016/j.bpj.2009.03.021 URL: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2711453

[21] Кукушкин В.И., Ваньков А.Б., Кукушкин И.В. К вопросу о дальнодействии поверхностно-усиленного рамановского рассеяния // Письма в ЖЭТФ. 2013. Т. 98 (2). C. 72-77.

[22] Неупругое резонансное рассеяние света в полупроводниках: от объемных материалов до квантовых точек, функционализированных с биомедицинскими структурами / Б.Х. Байрамов, В.В. Топоров, Ф.Х. Байрамов, G. Irmer, M. Dutta, M.A. Stroscio. Коллективная монография. Комбинационное рассеяние - 80 лет исследований. М.: ФИАН им. П.Н. Лебедева, 2008. C. 326-338.

[23] Bayramov F.H., Irmer G., Toporov V.V., Bairamov B.H. Structural, optical and electrical properties of semiconductor compounds studied by means of inelastic light scattering from phonon, electron and coupled electron-phonon excitations: From bulk to nanoscale structures. 2011 // Jap. J. Apl. Phys. 2011. Vol. 50. P. 05FE06. DOI: 10.1143/JJAP.50.05FE06 URL: http://iopscience.iop.org/article/10.1143/JJAP.50.05FE06/meta

[24] Резонансное неупругое рассеяние света и фотолюминесценция в изолированных квантовых точках NC-SI/SIO2 / Ф.Б. Байрамов, В.В. Топоров, Е.Д. Полоскин, Б.Х. Байрамов, C. Roder, C. Sprung, K. Bohmhammel, J. Seidel, G. Irmer, A. Lashkul, E. Lahderanta, Y.W. Song // Физика и техника полупроводников. 2013. Т. 47. № 5. С. 608-612.

[25] Горелик В.С., Довбешко Г.И., Крылов А.С., Пятышев А.Ю. Комбинационное рассеяние высушенной ДНК при лазерном возбуждении // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Естественные науки. 2014. № 1. C. 27-34.