Оренбургский государственный университет

Обратимая голографическая запись в слоях ДНК

В проекте изучались механизмы и особенности голографической записи в среде, представляющей собой тонкие пленки ДНК, активированной органическими красителями тиазинового (метиленовый голубой, тионин), акридинового (акридиновый оранжевый) и ксантенового (родамин 6G) классов.

Фундаментальной научной проблемой, на решение которой направлен проект, является исследование механизмов преобразования энергии электронного возбуждения в нуклеиновых кислотах и их комплексах с биологически активными молекулами.

Голографический метод был взят за основу при проведении исследований вследствие его высокой чувствительности и информативности. В дополнение к традиционным каналам получения информации о фотопроцессах (фотометрия и люминесценция), появляется дополнительная возможность мониторинга тепловых и диффузионных процессов, протекающих в системе при фотовоздействии.

В ходе выполнения проекта был разработан способ получения образцов пленок ДНК с красителем хорошего оптического качества.

Для записи голограмм использовались непрерывные (аргоновый, гелий-неоновый) или импульсный YAG-Nd лазеры. Восстановление осуществлялось He-Ne лазером (633нм). При этом в пленочных образцах ДНК с красителями - сенсибилизаторами происходит формирование нескольких типов голограмм: динамических на триплетных состояниях красителя, амплитудных фотохимических голограмм, а также высокоэффективных рельефно-фазовых решеток, связанных с изменением структуры биополимера.

Особенностью записи является то, что два последних типа голограмм самопроизвольно исчезают в течение нескольких часов. Мы полагаем, что релаксация голограмм связана с диффузионными процессами, протекающими в биополимере. Этот вывод подтвержден зависимостью скорости релаксации голограмм от периода решетки. Наличие рельефа, а также факт самопроизвольного уменьшения его глубины с течением времени, подтверждены методами зондовой сканирующей микроскопии.

Установлено, что фотохимические реакции красителей некоторых классов в матрице ДНК являются конкурентным по отношению к переносу на биополимер каналом перераспределения энергии электронного возбуждения, снижающим общую эффективность голограмм. Это обстоятельство является основанием для более подробного изучения механизмов протекания фотохимических реакций красителей в пленках ДНК.

В качестве модельной системы экспериментально исследовано фотохимическое поведение тиазиновых (метиленовый голубой, тионин) красителей в матрице поливинилового спирта. Предложен механизм обесцвечивания красителей. Проведен сравнительный анализ скоростей фотообесцвечивания красителей в ПВС и ДНК.

Кинетика релаксации триплетных динамических голограмм имеет биэкспоненцальный характер. Это свидетельствует о сайтспецифичности взаимодействия красителей-интеркаляторов с макромолекулой ДНК. Доступ молекулярного кислорода внутрь двухцепочечной спирали ДНК затруднен.

Показано, что пленочные структуры на основе молекул ДНК, активированных органическими красителями, являются перспективными материалами для молекулярной электроники и могут найти применение в качестве универсальных реверсивных регистрирующих сред, бесконтактных оптических датчиков молекулярного кислорода с расширенным динамическим диапазоном и др.