Лаборатория молекулярной биофизики

 

Изучение взаимодействий биологических молекул методами оптической спектроскопии, в частности, колебательной спектроскопии (КР и ГКР) и микроспектроскопии.

Развитие методов индикации и идентификации биологических молекул методами флуоресцентной спектроскопии. Создание флуоресцентных меток на основе полупроводниковых нанокристаллов (квантовых точек).

Создание нанобиогибридных материалов - гибридов биологических молекул с полупроводниковыми флуоресцентными нанокристаллами. Изучение процессов переноса энергии в таких системах.

Создание новых инструментов для био-нанотехнологии на основе объединения методов сканирующей зондовой микроскопии, оптической микроспектроскопии и ультрамикротомографии.

 

Методы исследования:

Оптическая спектроскопия

- колебательная спектроскопия (КР и ИК)

- флуоресцентная спектроскопия

- динамическое светорассеяние

Микроскопия и микроспектроскопия

- оптическая микроскопия (конфокальная, ближнепольная)

- атомно-силовая

Флуоресцентные нанокристаллы – как инструмент биофизических исследований

- мечение и визуализация процессов в биообъектах

- гибриды биологических молекул с нанокристаллами (идентификация объектов, медицинская диагностика, сенсоры, системы с переносом энергии)

Сотрудники лаборатории используют физические методы исследования биологических, нанотехнологических и гибридных (биологическая молекула/наночастица) объектов. Исследования выполняются в активном сотрудничестве с другими лабораториями ИБХ РАН, с другими Институтами, как в России, так и за рубежом, решается широкий круг задач биоорганической химии. Ниже приведены наиболее значимые результаты по разным направлениям исследований, выполненным в Лаборатории Молекулярной биофизики или с участием ее сотрудников в совместных работах.  

 

 

I.  Исследования взаимодействий биологических молекул методами оптической спектроскопии

 

Одним из наиболее информативных методов, применяемых в лаборатории Молекулярной биофизики, является оптическая спектроскопия. В лаборатории используются спектроскопия поглощения, флуоресценции, светодинамического рассеяния. Ключевым, позволяющим получать наиболее детальную информацию  о биологических молекулах и их взаимодействии, является метод колебательной спектроскопии. В лаборатории имеется оборудование для записи инфракрасных спектров, спектров комбинационного рассеяния, микро КР и ГКР.

Некоторые наиболее значимые результаты, полученные этими методами. 

 

Изучение механизмов ингибирования ДНК топоизомеразы I (топоI) человека "ядами" фермента (соединения из группы СРТ) и "супрессорами" фермента - малобороздочными лигандами ДНК (бис-нетропсин и его производные). Методами оптической спектроскопии определены ключевые закономерности механизмов ингибирования топоI. На основании полученных экспериментальных данных предложен подход к конструированию соединений, объединяющих достоинства супрессоров и "ядов" топоI. Синтезировано новое соединение - конъюгат нетропсина с камптотецином, обладающее высокой стабильностью лактонной формы. Показано, что это соединение обладает свойствами как супрессора, так и "яда" топоI и эффективно в клеточной линии CaOV3 (аденокарцинома яичников). Исследования выполнены совместно с Институтом молекулярной биологии РАН и с Реймским Университетом, Франция.

 

Избранные публикации:

 

Streltsov, S., Sukhanova, A., Mikheikin, A., Grokhovsky, S., Zhuze, A., Kudelina, I., Mochalov, K., Oleinikov, V., Jardillier, J.-C. Nabiev, I. Structural basis of topotecan-DNA recognition probed by flow linear dichroism, circular dichroism and Raman spectroscopy. – J. Phys. Chem. B, 2001, V. 105, pp. 9643-9652.

 

Мочалов К. Е., Устинова О. А., Стрельцов С. А., Гроховский С. Л., Жузе А. Л., Набиев И. Р., Суханова А. В., Олейников В. А. (2002) Спектроскопия комбинационного рассеяния топотекана, ингибитора ДНК топоизомеразы I. – Оптика и спектроскопия. Т. 93, № 4, с.537-545.

 

К.Е. Мочалов, С.А. Стрельцов, М.А. Ермишов, С.Л. Гроховский, О.А. Устинова, А.В. Суханова, А.Л. Жузе, И.Р. Набиев, В.А. Олейников (2002) Спектроскопия гигантского комбинационного рассеяния комплексов топотекана с ДНК: связывание с ДНК индуцирует димеризацию топотекана. Оптика и спектроскопия. Т. 93, № 3, с. 454-462.

 

Олейников В.А., Устинова О.А., Мочалов К.Е., Ермишов М.А., Гроховский С.Л., Жузе А.Л., Суханова А.В., Набиев И.Р. Кинетика лактон/карбоксилатного перехода гибридной молекулы камптотецин-нетропсин. – Биофизика. 2003, т. 48, № 3, с. 436-442.

 

Sukhanova, A., Grokhovsky, S., Zhuze, A., Devy, J., Pluot, M., Oleinikov, V., Nabiev, I. (2003) Camptothecin conjugated with DNA minor-groove binder netropsin: enhanced lactone stability, inhibition of human DNA topoisomerase I and antiproliferative activity. - Anticancer Research, Vol. 23, No. 3B, p. 2609-2615.

 

Определение структуры тектомеров. Методами спектроскопии комбинационного рассеяния установлена структура тектомеров – соединений перспективных для использования в медицинских приложениях. Работы выполнены совместно с лабораторией углеводов ИБХ РАН.

 

Tuzikov, A.B., Chinarev, A.A., Gambaryan, A.S., Oleinikov, V.A., Klinov, D.V., Matsko, N.B., Kadykov, V.A., Ermishov, M.A., Demin, I.V., Demin, V.V., Rye, P.D., Bovin, N.V. (2003) Polyglycine II Nanosheets: Supramolecular Antivirals? - ChemBioChem, V. 4, p. 147-154.

 

Исследование особенностей структуры липидных пленок, содержащих р-гликопротеин. Совместно с лабораторией Полимеров для биологии ИБХ РАН и Университетами городов Лион и Нант, Франция

 

Oleinikov, V.A., Fleury, F., Ianoul, A., Zaitsev, S., Nabiev, I. P-glycoprotein effect on the properties of its natural lipid environment probed by Raman spectroscopy and Langmuir-Blodgett technique. - FEBS Letters, 2006, 580, 4953-4958.

 

Barakat S, Gayet L, Dayan G, Labialle S, Lazar A, Oleinikov V, Coleman AW, Baggetto LG. Multidrug-resistant cancer cells contain two populations of P-glycoprotein with differently stimulated P-gp ATPase activities. Evidence from atomic force microscopy and biochemical analysis. Biochem J. 2005. 388(Pt 2), 563-571.

 

 

II. Создание новых инструментальных подходов для изучения биологических объектов и объектов нанотехнологии.

 

В лаборатории разрабатываются новые инструментальные подходы к изучению биологических объектов и гибридных нано-биоматериалов путем расширения спектра экспериментальных методов в единой инструментальной системе, включающих сканирующую зондовую микроскопию, оптическую микроспектроскопию и нанотомографию. Реализация нового инструментального подхода позволит создать инструмент, позволяющий реконструировать 3D-структуру наноматериалов, исследовать корреляцию между объемной нано-морфологией и макромасштабными оптическими свойствами, а также получать спектральную информацию от сверхмалых объемов образцов, используя технику зондового усиления электромагнитного поля вблизи острия зонда (TERS (Tip-Enhanced Raman Scattering) – микроспектроскопия)

 

Исследования в данном направлении проводятся совместно с Лабораторией нанобиоинженерии НИЯУ МИФИ, лабораторией Бионанотехнологии Федерального Исследовательского Центра по Трансплантологии и искусственным органам и Химическим факультетом МГУ им. М.В. Ломоносова.  

 

Konstantin E. Mochalov , Anton E. Efimov , Alexey Bobrovsky , Igor I. Agapov , Anton A. Chistyakov , Vladimir Oleinikov , Alyona Sukhanova , and Igor Nabiev (2013) Combined Scanning Probe Nanotomography and Optical Microspectroscopy: A Correlative Technique for 3D Characterization of Nanomaterials. - ACS Nano, Just Accepted Manuscript. DOI: 10.1021/nn403448p

 

Mochalov K.E., Efimov, A.E., Bobrovsky A., Agapov, I.I., Chistyakov A.A., Oleinikov V., Sukhanova A., Nabiev I. (2013) Combined Scanning Probe Nanotomography and Optical Microspectroscopy: A Correlative Technique for 3D Characterization of Nanomaterials. - ACS Nano, DOI: 10.1021/nn403448p, Publication Date (Web): August 30, 2013, Copyright © 2013 American Chemical Society

 

 

III. Новые гибридные системы: квантовые точки / биологические молекулы.

 

Использование огромных потенциальных возможностей квантовых точек в форме коллоидных нанокристаллов, требует нового подхода, основанного на создании нового типа нанотехнологических инструментов и устройств для биологии, медицины, электроники, оптоэлектроники, фотоники и ряда других направлений. Использование полупроводниковых нанокристаллов (квантовых точек) позволяет создать подходы к создания нового класса сверчувствительных сенсоров для одновременной детекции сразу множества объектов, в применении к медицине (технология микрочипов).. Широкий спектр поглощения нанокристаллов и эмиссия в узкой настраиваемой области позволяет формировать системы с резонансным переносом энергии, а в совокупности с биологическими объектами с переносом заряда (реакционные центры, бактериородопсин), стать основой создания новых классов фотовольтарических элементов с высоким КПД за счет более полного использования спектра поглощаемого света, или элементов оптоэлектроники на базе светорегулируемых биологических молекул (бактериородопсин).

 

(1) Гибриды КТ/биологическая молекула и их применение в биологии и медицине

 

Прямым путем формирования меток для визуализации биологических маркеров является синтез конъюгатов квантовая точка – распознающая молекул. Наиболее эффективные распознающие системы формируются с использованием антител. С участиум сотрудников лаборатории Молекулярной биофизики выполнена серия работ по ориентированному присуединению антител к поверхности наночастиц, ориентированному присоединению фрагментов антител и однодоменных миниантител. Публикации, представленные совместно с Реймским Университетом, Франция и Институтом физико-химических проблем БГУ, Минск, Беларусь, являются пионерскими работами в этом направлении

 

Sukhanova, A., Venteo, L., Devy, J., Artemyev, M., Oleinikov, V., Pluot, M., and Nabiev, I (2002) Highly Stable Fluorescent Nanocrystals as a Novel Class of Labels for Immunohistochemical Analysis of Paraffin-Embedded Tissue Sections. - Laboratory Investigations / Brief Methods , V. 82, No. 9. p. 1259-1261.

 

Sukhanova, A., Devy, J., Venteo, L., Kaplan, H., Artemyev, M., Oleinikov, V., Klinov, D., Pluot, M., Cohen, J.H.M., Nabiev I. Biocompatible fluorescent nanocrystals for immunolabeling of membrane proteins and cells. – Anal. Biochem., 2004, Vol. 324, No. 1, p. 60-67.

 

Mahmoud, W., Rousserie, G., Reveil, B., Tabary, T., Millot, J-M., Artemyev, M., Oleinikov, V.A., Cohen, J.H.M., Nabiev, I., Sukhanova, A. Advanced procedures for labeling of antibodies with quantum dots. - Analytical Biochemistry, 2011, 416, 180-185

 

Sukhanova, A., Even-Desrumeaux, K., Kisserli, A., Tabary, T., Reveil, B., Millot, J.-M., Chames, P., Baty, D., Artemyev, M., Oleinikov, V., Pluot, M., Cohen, J.H.M., Nabiev, I. Oriented conjugates of single-domain antibodies and quantum dots: toward a new generation of ultrasmall diagnostic nanoprobes, http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S154996341100284X - af0005Nanomedicine, 2011, Aug. 10, doi:10.10.16/nano.2011.07.07

 

Sukhanova A, Even-Desrumeaux K, Kisserli A, Tabary T, Reveil B, Millot JM, Chames P, Baty D, Artemyev M, Oleinikov V, Pluot M, Cohen JH, Nabiev I. Oriented conjugates of single-domain antibodies and quantum dots: toward a new generation of ultrasmall diagnostic nanoprobes. – Nanomedicine, 2012, 8(4), 516-525

 

Sukhanova, A., Even-Desrumeaux, K., Chames, P., Baty, D., Artemyev, M., Oleinikov, V., Nabiev, I. (2012) Engineering of ultra-small diagnostic nanoprobes through oriented conjugation of single-domain antibodies and quantum dots. - Nature Prot. exchange, DOI: http://dx.doi.org/10.1038/protex.2012.042.

 

 

(2) Полимерные микросферы, спектрально кодированные квантовыми точками для индикации и идентификации биологических объектов.

 

Формирование микросфер, кодированных квантовыми точками является перспективным путем их практического применения в биологии и медицине. Во-первых это возможность создания различного рода меток для выявления биологических маркеров, во-вторых, это возможность создания так называемых «жидких микрочипов», в которых позиционное кодирование заменяется цветовым бар-кодом и, в третьих, это возможность создания на основе таких микросфер различного рода сенсоров, позволяющих получать информацию о параметрах объекта в наноразмерном диапазоне (например, измерять температуру в микрообъеме или определять распределение локальных концентраций определенных ионов). Эти работы выполнены совместно в лабораторией Полимеров для биологии ИБХ РАН, отделом Иммунологии ИБХ РАН, Реймским Университетом, Реймс, Франция и лабораторией Нанобиоинженерии НИЯУ МИФИ.  

 

Stsiapura, V., Sukhanova, A., Artemyev, M., Pluot, M., Cohen, J.H.M., Baranov, A., Oleinikov, V., Nabiev I. Functionalized nanocrystal-tagged fluorescent polymer beads: synthesis, physicochemical characterization, and immunolabeling application. – Anal. Biochem., 2004, Vol. 342, No.2, p. 257-265.

 

Генералова А.Н., Сизова С.В., Гонцова М.С., Баранов А.В., Маслов В.Г., Артемьев М.В., Клинов Д.В., Мочалов К. Е., Зубов В.П., Олейников В.А. (2007) Синтез субмикронных сополимерных (акролеин/стирол) микросфер, содержащих флуоресцентные полупроводниковые CdSe/ZnS нанокристаллы. - Российские нанотехнологии. 2(7-8), 144-154.

 

Sukhanova, A., Susha, A.S., Bek, A., Mayilo, S., Rogach, A.L., Feldmann, J., Oleinikov, V., Reveil, B., Donvito, B., Cohen, J.H.M., Nabiev, I. Nanocrystal-encoded fluorescent microbeads for proteomics: antibody profiling and diagnostics of autoimmune diseases. – Nanoletters, 2007, 7(8), 2322-2327

 

Nabiev, I., Sukhanova, A., Artemyev, M., Oleinikov V. Fluorescent colloidal particles as detection tools in biotechnology systems. – In the book: Colloidal nanoparticles in biotechnology. Ed. A. Elaissari, WILEY-VCH, London-Singapore-NY, 2008, pp. 133-168.

 

Generalova, A.N., Sizova, S.V., Oleinikov, V.A., Zubov, V.P., Artemyev, M.,  Spernath, L., Kamyshny, A., Magdassi, S. Highly Fluorescent Ethyl Cellulose Nanoparticles Containing Embedded Semiconductor Nanocrystals. – Colloids and Surfaces A. Physicochemical and Engineering Aspects, 2009, V.342, N 1-3, pp.59-64

 

М.М.Зарифуллина, А.Н.Генералова, Сизова С.В., Н.С. Марквичев, Олейников В.А., В.П.Зубов Полиакролеиновые частицы, содержащие полупроводниковые нанокристаллы, для определения ионов меди (II), Вестник КазНУ, сер. Химическая, 2010, № 4 (60), с.199-200.

 

Generalova A.N., Oleinikov V.A., Zarifullina M.M., Lankina E.V., Sizova S.V., Artemyev M.V., Zubov V.P. Optical sensing quantum dot-labeled polyacrolein particles prepared by layer-by-layer deposition technique. - Journal of Colloids and Interfaces Science, 2011, 357(2), 265-272.

 

Generalova A.N., Sizova S.V., Zdobnova T.A., Zarifullina M.M., Artemyev M.V., Baranov A.V., Oleinikov V.A., Zubov V.P., Deev S.M. Submicron polymer particles containing fluorescent semiconductor nanocrystals CdSe/ZnS for bioassays. – Nanomedicine, 2011, 6(2), 195-209.

 

Generalova A.N., Oleinikov V.A., Zarifullina M.M., Lankina E.V., Sizova S.V., Artemyev M.V., Zubov V.P. Optical sensing quantum dot-labeled polyacrolein particles prepared by layer-by-layer deposition technique. - Journal of Colloids and Interfaces Science, 2011, 357(2), 265-272.

 

Generalova A.N., Sizova S.V., Zdobnova T.A., Zarifullina M.M., Artemyev M.V., Baranov A.V., Oleinikov V.A., Zubov V.P., Deev S.M. Submicron polymer particles containing fluorescent semiconductor nanocrystals CdSe/ZnS for bioassays. – Nanomedicine, 2011, 6(2), 195-209.

 

А. Н. Генералова, В. П. Зубов, К. Е. Мочалов, Т. А. Здобнова, С. В. Сизова, С. М. Деев, Р. В. Петров (2011) Биоаналитические флуоресцентные реагенты на основе полиакролеинсодержащих часстиц, наполненных полупроводниковыми CdSe/ZnS нанокристаллами. – ДАН,439(1),122–125

 

Generalova AN, Oleinikov VA, Sukhanova A, Artemyev MV, Zubov VP, Nabiev I. Quantum dot-containing polymer particles with thermosensitive fluorescence. - Biosens Bioelectron., 2013, 39(1), 187-193.

 

 

(4) Исследование транспорта наночастиц в живых биологических объектах

 

Флуоресцентные нанокристаллы различного размера и с различными контролируемыми свойствами поверхности являются идеальным инструментом для изучения транспорта наночастиц через биологические барьеры и внутри биологических объектов. Работы, выполненные совместно с Реймским университетом, Франция. 

 

Williams, Y., Sukhanova, A., Nowostawska, M., Davies, A.M., Mitchel, S., Oleinikov, V., Gun'ko, Y., Nabiev, I., Kelleher, D., Volkov, Y. Probing Cell Type-Specific Intracellular Nanoscale Barriers Using Size-Tuned Quantum Dots. – Small, 2009, 5(22), 2581-2588.

 

(5) Исследования переноса энергии между КТ в конденсированных средах

 

Поведение квантовых точек в конденсированном состоянии существенно отличается от их поведения в растворах. Физические процессы, происходящие в средах содержащих квантовых точки высокой концентрации изучались в совместных исследованиях с научной группой НИЯУ МИФИ

 

Zaharchenko, K.V., Obraztcova, E.A., Mochalov, K.E., Artemyev, M.V., Martynov, I.L., Klinov, D.V., Nabiev, I.R., Chistyakov, A.A., Oleinikov, V.A. Laser-induced luminescence of CdSe/ZnS nanoparticles in solutions and condensed phase. – Laser Physics, 2005, V.15, No.8, pp.1150-1153.

 

Chistyakov, A.A., Martynov, I.L., Mochalov, K.E.,.Oleinikov, V.A., Sizova, S.V., Ustinovich, E.A., Zakharchenko, K.V. Interaction of CdSe/ZnS core-shell semiconductor nanocrystals in solid thin films, - Laser Physics, 2006, 16(12), 1625-1632.

 

Chistyakov, A. A. Martynov, I. L. Mochalov, K. E.  Oleinikov, V. A.  Zaharchenko K. V. Laser-Induced Photoprocesses in Solutions and Films of the CdSe/ZnS Nanoparticles. - Laser Physics, 2008, Vol. 18, No. 8, pp. 925-938.

 

Chistyakov, A. A. Dayneko, S.V., Kolesnikov, V.A., Mochalov, K. E. Oleinikov, V. A., Tedoradze, M.G., Zaharchenko K.V. Laser-induced luminescence of multilayer structures based on polyimides and CdSe and CdSe/ZnS nanocrystals. - Laser Phys. Lett., 2009, 6(10), 718-722

 

Дайнеко С.В., Захарченко К.В., Золотаревский В.И., Мочалов К.Е., Олейников В.А., Тедорадзе М.Г., Тамеев А.Р., Чистолинов А.В., Чистяков А.А. Лазерно индуцированная люминесценция в гетеросструктурах на основе органических полупроводников и наночастиц CdSe и CdSe/ZnS. Наноматериалы и наноструктуры. 2010, т.1, № 2, 45-50.

 

С. В. Дайнеко, К. В. Захарченко, В. А. Караванский, К. Е. Мочалов, В. А. Олейников, А. А. Чистяков (2011) Фотофизические свойства нанокристаллов CdSe в растворах и матрицах органического полупроводника. – Ядерная физика и инжиниринг, 2(3), 1–7

 

(6) Формирование упорядоченных структур на биологических молекулах. Процессы ассоциации биологических молекул

 

Упорядоченные ассоциаты квантовых точек (цепочки, разветвления, звездообразные структуры) формируются либо управляемой самоорганизацией наночастиц из раствора либо с использованием темплейтов, в качестве которых могут служить биологические молекулы. Исследования проводимые совместно с Реймским университетом, Университетом информационных технологий, механики и оптики, С-Петербург, Россия и Центром физики материалов, Сан-Себастьян, Испания, направлены на создание упорядоченных структур и исследование свойств переноса и концентрации энергии, что может быть использовано при разработке антенных комплексов для сбора и передачи световой энергии.

 

Stsiapura, V., Sukhanova, A., Baranov, A., Artemyev, M., Kulakovich, O., Oleinikov, V., Pluot1, M., Cohen1, J.H.M., Nabiev, I. DNA-assisted formation of quasi-nanowires from fluorescent CdSe/ZnS nanocrystals. – Nanotechnology, 2006, 17 (2), 581–587.

 

Sukhanova, A., Baranov, A.V., Klinov, D., Oleinikov, V., Berwick, K., Cohen, J.H.M., Pluot, M., Nabiev, I. (2006) Self-assembly of charged microclusters of CdSe/ZnS core/shell nanodots and nanorods into hierarchically ordered colloidal arrays. – Nanotechnology, 2006, 17, 4223-4228

 

Sukhanova, A., Volkov Y., Rogach, A.L., Baranov, A.V., Susha, A.S., Klinov, D., Oleinikov, V., Cohen, J.H.M., Nabiev, I. (2007) Lab-in-Drop: controlled self-assembly of CdSe/ZnS quantum dots and quantum rods into polycrystalline nanostructures with desired optical properties. - Nanotechnology, 18, 185602.

 

Melnikau, D., Savateeva, D, Lesnyak, V., Gaponik, N., Fernandez, Y.N., Vasilevskiy, M.I., Costa, M.F., Mochalov, K.E., Oleinikov, V., Rakovich, Y.P. (2013) Resonance energy transfer in self-organized organic/inorganic dendrite structures. – Nanoscale, DOI: 10.1039/c3nr03016d

 

 

(7) Исследования фотопроцессов в гибридах светопоглощающих белков с КТ (на примере бактериородопсина)

 

Гибриды светочувствительных биологических молекул с квантовыми точками могут стать основой для разработки преобразователей солнечной энергии, различного рода элементов для фотоники, электроники и оптоэлектроники. Совместно с лабораторией нанобиоинженерии НИЯУ МИФИ, кафедрой биофизики МГУ им. М.В. Ломоносова и научными группами из Испании и Франции, в лаборатории Молекулярной биофизики ведутся исследовании по созданию новых гибридных структур на основе конъюгатов бактериородопсина и квантовых точек. 

 

Rakovich, A., Sukhanova, A., Bouchonville, N., Lukashev, E., Oleinikov, V., Artemyev, M., Lesnyak, V., Gaponik, N., Molinari, M., Troyon, M., Rakovich, Y.P., Donegan, J.F., Nabiev, I., Resonance Energy Transfer Improves the Biological Function of Bacteriorhodopsin within a Hybrid Material Built from Purple Membranes and Semiconductor Quantum Dots. - Nano Lett., 2010, 10(7), 2640-2648.

 

Bouchonville Nicolas, Molinari Michael, Sukhanova Alyona, Artemyev Mikhail, Oleinikov Vladimir, Troyon Michel, Nabiev Igor   Charge-controlled assembling of bacteriorhodopsin and semiconductor quantum dots for FRET-based nanophotonic applications. - Applied Physics Letters, 2011, 98(1), Article Number 013703, Jan 3 2011. in press.

 

V. Oleinikov, N. Bouchonville, A. Sukhanova, M. Molinari, S. Sizova, K. Mochalov, A. Chistyakov, E. Lukashev, A. Rakovich,.J.F. Donegan, I. Nabiev. Extension of the spectral range of bacteriorhodopsin functional activity by energy transfer from quantum dots. - Nanobiosystems: Processing, Characterization, and Applications V, Proc. of SPIE ,Vol. 8464, 84640Z, doi: 10.1117/12.929764

 

 

(8) Создание новых наногибридных материалов на основе квантовых точек, включенных в холестерическую жидкокристаллическую матрицу.

 

Фотонные структуры с управляемыми оптическими свойствами на основе фотоактивных полимерных ЖК матриц допированных флуоресцентными НК – уникальный перспективный класс материалов для различных областей применения, таких как, фотоника, оптоэлектроника, создание технологий записи и хранения информации. В этом направлении в лаборатории ведутся совместные исследования с кафедрой высокомолекулярных соединений химического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова

 

Bobrovsky, A., Mochalov, K., Oleinikov, V., Shibaev, V. (2011) Glass-forming photoactive cholesteric oligomers doped with quantum dots: novel materials with phototunable circularly polarised emission. - Liquid Crystals, 38(6),  737–742

 

Bobrovsky, A., Mochalov, K., Oleinikov, V., Sukhanova, A., Prudnikau, A., Artemyev, M., Shibaev, V., Nabiev, I. (2012) Optically and electrically controlled circularly polarized Emission from cholesteric liquid crystal materials doped with semiconductor quantum dots. Advanced Materials, 24, 6216-6222, doi: 10.1002/adma.201202227.

 

Bobrovsky, A., Mochalov, K., Chistyakov, A., Oleinikov, V., Shibaev, V.  Features of Double-Spiral “Valley-Hills” Surface Topography Formation in Photochromic Cholesteric Oligomer-Based Films and Their Changes Under Polarized Light Action. - Macromol. Chem. Phys. 2012, 213, 2639−2646

 

K.E. Mochalov, A.Yu. Bobrovsky, V.A. Oleinikov, A.V. Sukhanova, A.E. Efimov, V. Shibaev, I. Nabiev, Novel cholesteric materials doped with CdSe/ZnS quantum dots with photo- and electrotunable circularly polarized emission. - Liquid Crystals XVI, Proc. of SPIE Vol. 8475, 847514. doi: 10.1117/12.929729

 

 

Обзоры последних лет

 

Олейников В.А., Суханова А.В., Набиев И.Р. (2007) Флуоресцентные полупроводниковые нанокристаллы в биологии и медицине. - Российские нанотехнологии, 2(1-2), 160-173

 

Mahmoud, W., Sukhanova, A., Oleinikov, V., Rakovich, Y., Donegan, J.F., Pluot, M., Cohen, J.H.M., Volkov Y., Nabiev, i. Emerging Applications of Fluorescent Nanocrystals Quantum Dots for Micrometastases Detection. - Proteomics, 2010, 10, 700-716

 

Rousserie, G., Sukhanova, A., Even-Desrumeaux, K., Fleury, F., Chames, P., Baty, D., Oleinikov, V., Pluot, M., Cohen, J.H.M., Nabiev, I. Semiconductor Quantum Dots for Multiplexed Bio-Detection on Solid-State Microarrays. - Critical Reviews in Oncology/Hematology, 2010, 74(1), 1-15.

 

Олейников В.А. Квантовые точки в биологии и медицине. Природа, 2010, № 3, 22-28.

 

Олейников В.А. Полупроводниковые флуоресцентные нанокристаллы (квантовые точки) в белковых биочипах. - Биоорг. химия., 2011, 37(2), 171-189.

 

В.А.Олейников.  Квантовые точки — наноразмерные сенсоры для медицины и биологии. - Биомолекула, 9 июня, 2012 г., http://biomolecula.ru/content/1067

 

Rakovich, A., Donegan, J.F., Oleinikov, V., Molinari, M., Sukhanova, A., Nabiev, I, Rakovich, Y.P. (2013) Linear and nonlinear optical effects induced by energy transfer from semiconductor nanoparticles to photosensitive biological systems. – J. Photochem. Photobiol, C, Photochem. Review. Accepted

 

 

 

Проекты последних лет. Законченные и выполняемые

 

РФФИ:  

07-04-01421-а;           07-04-12081-офи;      07-04-92164-НЦНИ_а;

09-04-00650-а;           09-04-11523-с;           10-02-92000-ННС_а;

10-04-00393-а;           10-08-01009-а;           12-03-00553-а;

12-04-00779-а;           13-04-00168-а

 

Министерство образования и науки Российской Федерации:

ГК № 02.513.12.3054 от 24.11.2008 г.

ГК № 16.740.11.0004 от 01.09.2010 г.

ГК № 11.519.11.2005 от 18.08.2011 г.

Согл. № 8842 от 14.11.2012 г.

 

Международные:

НАТО CBP.NR.NR DfP 983207

 

Избранные публикации

  1. Mochalov K.E., Efimov A.E., Bobrovsky A., Agapov I.I., Chistyakov A.A., Oleinikov V., Sukhanova A., Nabiev I. (2013). Combined scanning probe nanotomography and optical microspectroscopy: a correlative technique for 3D characterization of nanomaterials. ACS Nano 7 (10), 8953–62 [+]

    Combination of 3D structural analysis with optical characterization of the same sample area on the nanoscale is a highly demanded approach in nanophotonics, materials science, and quality control of nanomaterial. We have developed a correlative microscopy technique where the 3D structure of the sample is reconstructed on the nanoscale by means of a "slice-and-view" combination of ultramicrotomy and scanning probe microscopy (scanning probe nanotomography, SPNT), and its optical characteristics are analyzed using microspectroscopy. This approach has been used to determine the direct quantitative relationship of the 3D structural characteristics of nanovolumes of materials with their microscopic optical properties. This technique has been applied to 3D structural and optical characterization of a hybrid material consisting of cholesteric liquid crystals doped with fluorescent quantum dots (QDs) that can be used for photochemical patterning and image recording through the changes in the dissymmetry factor of the circular polarization of QD emission. The differences in the polarization images and fluorescent spectra of this hybrid material have proved to be correlated with the arrangement of the areas of homogeneous distribution and heterogeneous clustering of QDs. The reconstruction of the 3D nanostructure of the liquid crystal matrix in the areas of homogeneous QDs distribution has shown that QDs do not perturb the periodic planar texture of the cholesteric liquid crystal matrix, whereas QD clusters do perturb it. The combined microspectroscopy-nanotomography technique will be important for evaluating the effects of nanoparticles on the structural organization of organic and liquid crystal matrices and biomedical materials, as well as quality control of nanotechnology fabrication processes and products.

    ID:1122
  2. Melnikau D., Savateeva D., Lesnyak V., Gaponik N., Fernández Y.N., Vasilevskiy M.I., Costa M.F., Mochalov K.E., Oleinikov V., Rakovich Y.P. (2013). Resonance energy transfer in self-organized organic/inorganic dendrite structures. Nanoscale 5 (19), 9317–23 [+]

    Hybrid materials formed by semiconductor quantum dots and J-aggregates of cyanine dyes provide a unique combination of enhanced absorption in inorganic constituents with large oscillator strength and extremely narrow exciton bands of the organic component. The optical properties of dendrite structures with fractal dimension 1.7-1.8, formed from J-aggregates integrated with CdTe quantum dots (QDs), have been investigated by photoluminescence spectroscopy and fluorescence lifetime imaging microscopy. Our results demonstrate that (i) J-aggregates are coupled to QDs by Förster-type resonant energy transfer and (ii) there are energy fluxes from the periphery to the centre of the structure, where the QD density is higher than in the periphery of the dendrite. Such an anisotropic energy transport can be only observed when dendrites are formed from QDs integrated with J-aggregates. These QD/J-aggregate hybrid systems can have applications in light harvesting systems and optical sensors with extended absorption spectra.

    ID:1128
  3. Generalova A.N., Oleinikov V.A., Sukhanova A., Artemyev M.V., Zubov V.P., Nabiev I. (2013). Quantum dot-containing polymer particles with thermosensitive fluorescence. Biosens Bioelectron 39 (1), 187–93 [+]

    Создан новый тип термонаносенсора, основанный на эффекте дистанционно зависсимого тушения флуоресцентных полупроводниковых нанокристаллов включенных в матрицу из термочувствительного полимера (поливинил-N-капролактам). Термосенсор чувствителен к изменению температуры в области 30-40 С. Показаны примеры использования нанотермометра для решения прикладных задач. 

    ID:1130
  4. Bobrovsky A., Mochalov K., Oleinikov V., Sukhanova A., Prudnikau A., Artemyev M., Shibaev V., Nabiev I. (2012). Optically and electrically controlled circularly polarized emission from cholesteric liquid crystal materials doped with semiconductor quantum dots. Adv. Mater. Weinheim 24 (46), 6216–22 [+]

    Создан новый электро- и фотоконтролируемый материал на основе холестерической жидкокристаллической матрицы и внедренных в нее полупроводниковых флуоресцентных нанокристаллов (квантовых точек). УФ облучение и/или приложение электрического поля позволяет изменять степень круговой поляризации нового материала и значение эмиссии флуоресценции квантовых точек внедренных в ЖК матрицу

    ID:1129
  5. Sukhanova A., EvenDesrumeaux K., Kisserli A., Tabary T., Reveil B., Millot J.M., Chames P., Baty D., Artemyev M., Oleinikov V., Pluot M., Cohen J.H., Nabiev I. (2012). Oriented conjugates of single-domain antibodies and quantum dots: toward a new generation of ultrasmall diagnostic nanoprobes. Nanomedicine 8 (4), 516–25 [+]

    Common strategy for diagnostics with quantum dots (QDs) utilizes the specificity of monoclonal antibodies (mAbs) for targeting. However QD-mAbs conjugates are not always well-suited for this purpose because of their large size. Here, we engineered ultrasmall nanoprobes through oriented conjugation of QDs with 13-kDa single-domain antibodies (sdAbs) derived from llama IgG. Monomeric sdAbs are 12 times smaller than mAbs and demonstrate excellent capacity for refolding. sdAbs were tagged with QDs through an additional cysteine residue integrated within the C terminal of the sdAb. This approach allowed us to develop sdAbs-QD nanoprobes comprising four copies of sdAbs coupled with a QD in a highly oriented manner. sdAbs-QD conjugates specific to carcinoembryonic antigen (CEA) demonstrated excellent specificity of flow cytometry quantitative discrimination of CEA-positive and CEA-negative tumor cells. Moreover, the immunohistochemical labeling of biopsy samples was found to be comparable or even superior to the quality obtained with gold standard protocols of anatomopathology practice. sdAbs-QD-oriented conjugates as developed represent a new generation of ultrasmall diagnostic probes for applications in high-throughput diagnostic platforms.

    ID:1131
  6. Oleinikov V.A. (2009). [Semiconductor fluorescent nanocrystals (quantum dots) in biological biochips]. Bioorg. Khim. 37 (2), 171–89 [+]

    Comprehension of biological processes in cells, tissues and organisms requires identification and analysis of numerous biological objects, mechanisms of their action and regulation. Microarray (biochips) technology is a rare tool to solve this problem. It is based on high-throughput recognition of a target to the probe and has the potential to measure simultaneously the presence of numerous molecules in multiplexed testes, all contained in a small drop of test fluid. Biochips allow the parallel analysis of genomic or proteomic content in healthy versus disease-affected or altered tissues or cells. The signals read-out from the biochips is done with organic dyes which often suffer from photobleaching, low brightness and background fluorescence. Recent data show that the use of fluorescent nanocrystals "quantum dots" (QDs) allows push away these restrictions. The QDs are sufficiently bright to be detected as individual particles, extremely resistant to photobleaching and provide unique possibilities for multiplexing thus supplying the microarray technology with the novel read-out option enabling the sensitivity of detection reaching the single molecule level. This paper is aimed at the development of the approaches to the QDs application in microarray-based detection. Possibilities of QDs application both in solid state (planar) biochips as well as intensively developing technique of suspension biochips (bead-based assays or liquid biochips) are demonstrated. The latter are more and more applied for simultaneous identification of very large numbers of molecules in proteomics, genomics, drug screening and clinical diagnostics. This assays base on spectral encoded elements (as a rule polymer microbeads). The benefits of using optically encoded microbeads (instead of the solid-state two-dimensional arrays) are derived from the freedom of bead to move in three dimensions. Polymeric beads optically encoded with organic dyes allow for a limited number of unique codes, whereas the use of semiconductor nanocrystals as fluorescent tags improves the beads multiplexed imaging capabilities, photostability and sensitivity of the biological objects detection. Additionally, an employment in suspension biochips of Frster resonance energy transfer (FRET) allows improving detection specificity. The absence of fluorescent background from non-interacting with the beads dye-labelled antibodies additionally increases the sensitivity of detection and further facilitates the multiplexing capabilities of nanocrystals-based detection and diagnostics. So the combination of the biochips and QDs techniques allow increasing detection sensitivity and significantly raising the number of detected objects (multiplexing capacities). Such combination should provide the breakthrough in proteomics, particularly in new drugs development, clinical diagnostics, new disease markers identification, better understanding of intracellular mechanisms.

    ID:1132

Олейников Владимир Александрович

  • Москва, ул. Миклухо-Маклая, 16/10 — На карте
  • ИБХ РАН, корп. 34, комн. 131
  • Тел.: +7(495)335-43-66
  • Эл. почта: voleinik@mail.ru

Гибридный наноматериал с эффектом памяти: серебряная наночастица – бактериородопсин (AgНЧ/БР) (2016-11-16)

Обнаружен эффект полного подавления фотоцикла бактериородопсина (БР) и "замораживание" состояния ретиналя в результате сильного воздействии серебряных наночастиц на БР. Показано, что при инкубации фрагментов пурпурных мембран с серебряными наночастицами, формируются локальные области усиления эффекта гигантского комбинационного рассеяния (ГКР-активные области), в которых хромофор бактериородопсина ретиналь, фиксируется в той форме, в которой он находился в момент инкубации (в светоадаптированной - all-trans или в темноадаптированной – 13-cis, C=N-cis). Обнаруженный эффект может стать основой создания элементов памяти на единичных молекулах.

Эффект аномально высокой оптической активности растворов коллоидных плазмонных или флуоресцентны наночастиц в слабом магнитном поле (2015-01-12)

Обнаружен новый эффекте аномально высокой оптической активности – магнитного кругового дихроизма (МКД) растворах коллоидных наночастиц: плазмонных металлических (золото или серебро) и флуоресцентных полупроводниковых (квантовые точки CdSe/ZnS или CdTe) в слабом магнитном поле (до 0,5 Тл). Обнаруженный эффект важен и интересен как с точки зрения понимания механизмов магнитооптических процессов в наноструктурах, так и с точки зрения возможных приложений обнаруженного эффекта. В частности, особенностью эффекта является чувствительность параметров МКД к изменению поверхностных свойств наночастиц и, следовательно, возможность его использования в создании сенсоров, способных работать в мутных средах, что имеет принципиальное значение для использования таких систем в медицине.