Аннотация результатов, полученных в 2019 году
Целью исследований по настоящему проекту является разработка фотоуправляемых лигандов для связывания с ДНК и другими биомолекулами. В рамках проекта должны быть проведены работы, связанные с разработкой дизайна подобных систем, их синтезом, изучением фотохимических превращений соединений и изучение взаимодействия основных и фотоиндуцированных форм с молекулами ДНК. Работы на данном этапе выполнения проекта велись по следующим направлениям. Исследования по направлению дизайн, синтез и исследование стириловых красителей в качестве лигандов для ДНК и кукурбитурилов. В качестве фотохромного соединения выступает стириловый краситель, который под действием света может претерпевать фотоизомеризацию. Нами показано, что в комплексах с ДНК тимуса теленка фотоизомеризация стирилов подавляется, вследствие пространственных ограничений для молекулы, находящейся в кармане ДНК. Более того, взаимодействие красителя с ДНК приводит к разгоранию флуоресценции красителя, поскольку основной конкурентный процесс фотоизомеризации подавляется. В нашем исследовании мы показали на примере 2-стирилпиридиниевых красителей, что природа N-заместителя оказывает решающую роль на тип взаимодействия с ДНК. Так, краситель с N-метильным заместителем взаимодействует с ДНК через интеркаляцию, в то время как его замена на N-(3-пропил)пиридиниевый заместитель приводит к залеганию красителя в бороздку ДНК. Взаимодействие похожего стирилпиридиниевого красителя с подходящим по размеру контейнером CB[7], напротив, не препятствует фотоизомеризации. Реакция в обоих направлениях протекает с высокими квантовыми выходами. Обнаружено уникальное свойство фотоизомеризации стирилпиридиния в комплексе с CB[7] – образование единственного анти-конформера Z-изомера. Это объясняется его низкой энергией (согласно квантово-химическим расчетам) и высокой устойчивостью даже после разрушения кукурбитурильного комплекса при добавлении перхлората бария. Начаты работы по получению запланированного в проекте тройного комплекса CB[7] – краситель – ДНК. Для этого был синтезирован бисстириловый краситель, в котором стириловые фрагменты соединены друг с другом через азакраун-эфирный спейсер. Такая структура позволяет подобрать условия, при которых один фрагмент внедряется в полость CB[7], а другой – залегает в малую борозду. Такое взаимодействие и обеспечивает существование тройного комплекса. Исследования по направлению получения конъюгатов фотохромных хроменов со стириловыми красителями в качестве фотоуправляемых лигандов для ДНК. К настоящему времени синтезирован хромен, имеющие в качестве заместителей донорные метокси-группы. Разработаны условия и получен конъюгат хромена со стириловым красителем, демонстрирующим аффинность к ДНК. Проведенные исследования показали, что синтезированный хромен при фотооблучении светом 313нм образует устойчивую окрашенную форму. Как показали ЯМР-исследования, фотоиндуцированная форма состоит из двух изомеров трансоид-транс и трансоид-цис, которые обусловлены различным взаимным расположением двойных С=С связей в открытой форме хромена. Изомер трансоид-цис остается стабильным в течение нескольких минут, в то время как изомер трансоид-транс остается стабильным долгое время и может быть переведен в закрытую форму при облучении светом 405нм. Все эти характеристики являются подходящими для разработки фотоуправляемых лигандов для ДНК. Сотрудничество с Центром коллективного пользования Курчатовского центра синхротронного излучения активно проходило по трем основным направлениям, связанным с изучением структур стириловых производных и их фотопродуктов методом РСА, изучение комплексов ДНК с бисстириловыми красителями методом малого углового рассеяния рентгеновских лучей, и изучения структуры комплексов краун-содержащих соединений с катионами меди (II) методом спектроскопии рентгеновского поглощения. Полученные результаты помогают в решении научных задач проекта.

Аннотация результатов, полученных в 2020 году
Целью исследований по настоящему проекту является разработка фотоуправляемых лигандов для связывания с ДНК и другими биомолекулами. В рамках проекта были проведены работы, связанные с разработкой дизайна подобных систем, их синтезом, изучением фотохимических превращений соединений и изучение взаимодействия основных и фотоиндуцированных форм с молекулами ДНК. Работы на данном этапе выполнения проекта велись по следующим направлениям. Выполнены синтетические работы по получению бромалкоксильных производных хроменов, 4-стирилпиридиниевого красителя, содержащего ОМе группу в пара-положении фенильного заместителя, полипиррольного линкера для новых конъюгатов. Проведены исследования фотохромных свойств исходного хромена и его конъюгата со стириловым красителем, определены энергии, энтальпии и энтропии активации фотохромной реакции хромена и его конъюгата. Установлено, что конъюгация способствует стабилизации открытой формы хромена. Исследовано взаимодействие хромена, стириловых красителей и конъюгата стирилового красителя с хроменом с ДНК тимуса теленка. Впервые установлено, что хромен в открытой фотоиндуцированной форме способен инеркалировать с ДНК. Конъюгат в фотоиндуцированной форме взаимодействует с ДНК только одним из фрагментов – красителем или хроменом. Совместные работы с Центром коллективного пользования Курчатовского центра синхротронного излучения велись с использование метода спектроскопии рентгеновского поглощения (EXAFS), позволяющего установить структуру некристаллических образцов.

Аннотация результатов, полученных в 2021 году
Целью исследований по настоящему проекту является разработка фотоуправляемых лигандов для взаимодействия с ДНК и другими биомолекулами. В рамках проекта были проведены работы, связанные с разработкой дизайна подобных систем, их синтезом, изучением фотохимических превращений соединений и взаимодействия основных и фотоиндуцированных форм с молекулами ДНК. Основными объектами исследования явились производные спиронафтоксазинов, конъюгаты хромена со стириловым красителем и их составляющие. 1. Исследования по направлению синтеза конъюгатов хроменов со стириловыми красителями или полипирольными производными. Были разработаны условия получения полипиррольного производного, содержащего требуемое количество пиррольных звеньев. На следующем этапе проекта наработка будет использована для получения полипиррола и использования его в качестве спейсера в конъюгатах фотохрома с флуорофором. Конъюгат стирилового красителя и хромена был наработан и его исследования были проведены в отчетный период. 2. Исследования по направлению дизайна и синтеза спиронафтоксазинов, имеющих группы, подходящие для связывания с ДНК. В качестве N-заместителя в молекулу спиронафтоксазина была введена пропиламмонийная группа, которая обеспечивает ассоциацию фотохрома с фосфатными группами ДНК. Также было получено производное спиронафтоксазина, содержащее в качестве заместителя морфолиновый гетероцикл. Открытая форма данного соединения легко трансформируется в присутствии кислорода воздуха в заряженное оксазолиевое производное. К сожалению, оба соединения продемонстрировали отсутствие способности к взаимодействию с ДНК. 3. Исследования по направлению изучения оптических и фотохромных свойств хроменов. Фотохромные свойства были изучены для трех производных хроменов в ацетонитрильном растворе. Показано, что при облучении исходные хромены переходят в открытую окрашенную форму. Для всех хроменов кинетические кривые термической релаксации описываются биэкспоненциальной зависимостью, из которой были рассчитаны константы скорости и время половинного обесцвечивания при различных температурах, а также термодинамические характеристики – энергия активации, энтропия и энтальпия образования. Было выдвинуто предположение о различных механизмах фотохромизма для хроменов в зависимости от длины заместителя: последовательном (с длинной углеродной цепочкой) и параллельном (с короткой углеродной цепочкой) образовании TC и TT изомеров при облучении. Преобладание долгоживущей TT формы делает хромены подходящими для разработки фотоуправляемых лигандов для ДНК. 4. Исследования по направлению изучения связывания конъюгатов стириловых производных с ДНК. Образование комплексов с ДНК тимуса теленка было изучено на примере двух конъюгатов с разной длиной оксиалкильного заместителя, соединяющего хроменовые и стириловые фрагменты. На основе результатов исследования комплексообразования методами оптической спектроскопии, спектроскопии КД и ЯМР, а также конкуретного титрования с лигандами-стандартами (этидиумом бромидом и Hoechst 33258) были предложены модели комплексов конъюгат-ДНК. Предполагается, что для обоих конъюгатов стирилпиридиниевый фрагмент взаимодействует с ДНК за счет укладывания в малую бороздку. К сожалению, участия хроменового фрагмента в связывании с ДНК ни в закрытой, ни в открытой фотоиндуцированной форме обнаружено не было. С целью изучения возможности доставки конъюгатов или извлечениях их из ДНК были проведены исследования с применением молекулы-контейнера кукурбитурила. При добавлении кукурбитурила к системе конъюгат-ДНК наблюдалось постепенное вытеснение лигандов из комплекса с нуклеиновой кислотой. На примере ряда стириловых красителей показаны возможности компьютерного молекулярного моделирования для подтверждения структуры комплексов органических молекул со сложными биологическими молекулами. Комбинация результатов КД спектроскопии и теоретических расчетов позволила определить тип агрегатов для каждого производного стириловых красителей. Установлено, что тип агрегатов обусловлен различной упаковкой молекул красителя при связывании с ДНК с линейным или изогнутым (в виде внутримолекулярного «сэндвича») расположением красителя в бороздке ДНК. 5. Сотрудничество с Центром коллективного пользования Курчатовского центра синхротронного излучения активно проходило по трем основным направлениям: i) изучение структуры стириловых производных и их фотопродуктов методом РСА; ii) изучение структуры комплексов краун-соединений с тяжелыми металлами методом РСА; iii) изучения структуры комплексов краун-содержащих соединений с катионами Ag+, Pb2+, Cd2+ и Cu2+ методом спектроскопии рентгеновского поглощения (EXAFS). Полученные результаты помогают в решение научных задач проекта.

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Целью исследований по настоящему проекту являлась разработка фотоуправляемых лигандов для связывания с ДНК и другими биомолекулами. В рамках проекта проведены работы, связанные с разработкой дизайна подобных систем, их синтезом, изучением фотохимических превращений соединений и изучение взаимодействия основных и фотоиндуцированных форм с молекулами ДНК. Для реализации задач проекта за отчетный период были проведены исследования по следующим направлениям исследования: 1. Синтез и изучение фотохромных свойств нитрозамещенных спиропиранов. Спиропираны представляют собой класс фотохромных соединений, которые могут применяться для создания систем обратимого фотоуправляемого связывания с ДНК. В исходном состоянии эти соединения не взаимодействуют с ДНК за счёт пространственных ограничений, возникающих благодаря их неплоской структуре. При облучении светом структура спиропиранов становится плоской, в результате чего вероятность встраивания открытых форм спиропиранов между парами оснований ДНК резко возрастает. В рамках данной работы были изучены оптические и фотохромные свойства полученных производных. Фотохромное поведение синтезированных спиропиранов характеризуется изменением соотношения их открытых и закрытых форм при фотооблучении. Наличие открытой формы в исходном растворе подтверждено с помощью ЯМР спектроскопии. Спиропиран SP2 отличается обратимым фотохромизмом при облучении видимым и УФ светом. Установлено, что комплексообразование спиропиранов SP1, SP2 с ДНК тимуса теленка малоэффективно, несмотря на достаточную устойчивость их открытых форм. 2. Синтез стириловых красителей, имеющих два сайта связывания. Еще одним направлением проекта является изучение тройных систем кукурбит[7]урил–краситель–ДНК. Это модельная система, имитирующая процессы доставки и высвобождения лекарственных/диагностических препаратов из молекул-капсул. Изучение механизма доставки и высвобождения капсул представляет собой важную задачу в медицине. Для выполнения это части проекта исследованы молекулы стириловых красителей с двумя сайтами связывания – для ДНК и кукурбит[7]урила (СВ[7]). Синтезированы конъюгаты гетеростильбенов со стириловыми красителями с алифатическим и ароматическим спейсером, имеющие два сайта связывания, соединения I и II. Установлены модели связывания соединений I и II с ДНК-тт. В случае соединения I предполагается агрегация в малую бороздку ДНК. Для соединения II связывание с ДНК происходит двумя способами: посредством пронизывающей интеркаляции между парами оснований ксилиленового фрагмента с последующим укладыванием в малую бороздку с образованием агрегатов красителя. По данным ЯМР установлено, что для соединений I и II наблюдается образование двух типов комплексов с кукурбитурилом CB[7] состава 1:1 и 1:2. В трёхкомпонентных системах ДНК-краситель-СB[7] доказана возможность образования комплекса ДНК-I-CB[7]. В трёхкомпонентной системе ДНК-II-CB[7] обнаружен факт вытеснения красителя II из структуры ДНК, что подтверждается данными спектроскопии ЯМР. 3. Тестирование выявленных перспективных систем на клетках. Продемонстрирована применимость комплексов CB[7] с красителями I, II для визуализации флуоресценции в живых клетках. Важным результатом клеточных исследований является то, что макроцикл CB[7] не влияет на проникновение красителя в клетку, не увеличивает токсичность. В случае исследуемых красителей I и II мы не наблюдали влияния CB[7] на флуоресцентную визуализацию, но локализация красителя I менялась от цитоплазмы к ядрам клеток. 4. С использованием метода EXAFS на порошках гетеробиметаллических комплексов с органическими лигандами ST1-ST4 при изучении локального окружения катионов подтверждена координация катионов Cu(II), Ag(I), Pb(II), Cd(II) по краун-эфирному, а Ru(II) – по фенантролиновому фрагменту имидазофенантролин-содержащего лиганда.