Nanotechnologia

Ciekłe kryształy w układach biologicznych

Dominika Benkowska-Biernacka.

artykuł laureata konferencji Sympozjum Młodych Naukowców 2020

Liotropowe fazy ciekłokrystaliczne powszechnie występują w organizmach żywych. Ze względu na anizotropię właściwości fizycznych zyskują coraz większe zainteresowanie badaczy, zwłaszcza w kontekście analizy uproszczonych modeli struktur występujących in vivo.

Mezofazy liotropowe to grupa ciekłych kryształów powstająca w wyniku rozpuszczenia mezogenów w odpowiednim dla nich rozpuszczalniku. Cząsteczki substancji rozpuszczonej, w zależności od stężenia i temperatury mogą tworzyć fazę izotropową lub samoorganizować się w różnego typu fazy ciekłokrystaliczne.  Molekuły zdolne do tworzenia struktur liotropowych zazwyczaj posiadają charakter amfifilowy, tak jak fosfolipidy, które w układach biologicznych porządkują się  w dwuwarstwy. Jednym z podstawowych przykładów mezofaz zbudowanych na matrycy lipidowej jest struktura mielinowa, ponieważ w określonych warunkach  faza lamelarna formułuje uporządkowane, wydłużone struktury, które można obserwować w świetle spolaryzowanym (Rysunek 1).

Rysunek 1.  obserwowana za pomocą mikroskopu polaryzacyjnego

W dodatku, DNA ze względu na podłużny kształt molekuł w stężonych roztworach wodnych również jest zdolne do tworzenia ciekłych kryształów. Co ciekawe, po przygotowaniu próbki ciekłokrystaliczne DNA może w świetle spolaryzowanym przypominać linie papilarne. Wynika to z faktu, iż cząsteczki kwasu deoksyrybonukleinowego w zamkniętej komórce porządkują się w fazę cholesterolową zorientowaną równolegle do powierzchni ograniczających ją szkiełek. W wyniku odparowania części rozpuszczalnika, obserwowana pod mikroskopem polaryzacyjnym tekstura papilarna może przekształcić się w tzw. teksturę wachlarzową, należącą do fazy kolumnowej heksagonalnej (Rysunek 2.).

Zdjęcia fazy cholesterolowej

Rysunek 2. Zdjęcia fazy cholesterolowej (a) i kolumnowej heksagonalnej (b) ciekłokrystalicznego DNA wykonane w świetle spolaryzowanym.

Naukowcy z Politechniki Wrocławskiej domieszkowali ciekłokrystaliczne DNA nanoprętami złota w celu określenia możliwości modyfikacji jego właściwości.  W rezultacie, zaobserwowali poprawę stabilności termicznej materiału hybrydowego w stosunku do próbki bez domieszki. Dodatkowo za pomocą fluorescencyjnej mikroskopii dwufotonowej pokazali tendencje podłużnych nanocząstek do układania się wzdłuż nici DNA, co wskazuje na możliwość kontrolowania ułożenia nanoprętów złota w matrycy ciekłokrystalicznej. Następnie zbadali rozmieszczenie nanoklasterów złoto-srebrnych w fazie ciekłokrystalicznej. W przypadku tego typu domieszek zauważyli odmienne ułożenie nanostruktur w mezofazie. Oznacza to, że nanoklastery kumulują się na powierzchni fazy ciekłokrystalicznej, między innymi ze względu na ich mniejszy ciężar w porównaniu do anizotropowych nanocząstek złota. Z materiałowego punktu widzenia uzyskane wyniki potwierdzają potencjał wykorzystania nanoklasterów i nanoprętów złota w terapii fototermicznej i bioobrazowaniu.

Referencje
  1. K.Brach, M. Waszkielewicz, J. Olesiak-Banska, M. Samoc, K.Matczyszyn, Two-Photon Imaging of 3D Organization of Bimetallic AuAg Nanoclusters in DNA Matrix, Langmuir 2017, 33, 36, 8993–8999
  2. J. Olesiak-Banska, M. Gordel, K. Matczyszyn, V.l Shynkar, J. Zyssb, M. Samoc, Gold nanorods as multifunctional probes in a liquid crystalline DNA matrix, Nanoscale, 2013, 5, 10975
  3. D.Benkowska-Biernacka, I. I. Smalyukh, K. Matczyszyn, Morphology of lyotropic myelin figures stainedwith a fluorescent dye, Journal of Physical Chemistry B, 2020, 124, 11974-11979

 

Autorem artykułu i zamieszczonych w nim zdjęć jest Dominika Benkowska-Biernacka.

Dominika Benkowska-Biernacka ukończyła studia inżynierskie na kierunku Inżynieria Materiałowa na Politechnice Wrocławskiej. Następnie uzyskała tytuł magisterska na kierunku Molecular nano- and biophotonics for telecommunications and biotechnologies na École normale supérieure Paris-Saclay. Obecnie realizuje studia doktoranckie na Wydziale Chemicznym Politechniki Wrocławskiej w ramach interdyscyplinarnego programu BioTechNan pod opieką Profesor Katarzyny Matczyszyn. Doktorantka współpracuje z Instytutem Genetyki i Biologii Molekularnej i Komórkowej w Strasburgu. Dodatkowo odbywała staże naukowe m.in. na Uniwersytecie Paris Saclay (Francja) i  Uniwersytecie Kolorado w Boulder (USA). Ponadto jest aktywnym członkiem koła naukowego Photonics and Bionanotechnology Association odpowiedzialnym za organizację corocznej międzynarodowej konferencji PANIC z  dziedziny nanofotoniki.

Przedmiotem jej badań są liotropowe ciekłe kryształy pochodzenia biologicznego, które domieszkuje nanokropkami węglowymi i nanocząstkami złota. W swojej pracy wykorzystuje m.in. mikroskopię polaryzacyjną i fluorescencyjną mikroskopię dwufotonową.

.