Laboratorium Bionanostruktur

Lider: Prof. dr hab. Renata Bilewicz
profesor zwyczajny,Uniwersytet Warszawski,
Pasteura 1, 02-093 Warszawa
tel:+ 48 22 822 02 11, faks: + 48 22 822 59 96
e-mail:bilewicz@chem.uw.edu.pl

Publikacje i patenty: http://www.chem.uw.edu.pl/people/RBilewicz/

Specjalizacja: Physical and Bioinorganic Chemistry

Kierunki badań: Procesy przeniesienia elektronu w układach supramolekularnych i biomolekularnych.
Kataliza i rozpoznanie molekularne na granicach faz, bioelektrokataliza. Samoorganizacja molekularna na stałych i ciekłych podłożach, właściwości mono i multiwarstw Langmuira-Blodgett. Elektrochemia maszyn
molekularnych i receptorów makrocyklicznych.

Członkowie grupy:

1. dr hab. Sławomir Sęk, e-mail:slasek@chem.uw.edu.pl

2. dr Dorota Matyszewska, e-mail:dorota.matyszewska@chem.uw.edu.pl

3. dr Agnieszka Więckowska, e-mail:awiec@chem.uw.edu.pl

4. dr Ewa Nazaruk, e-mail:enaz@chem.uw.edu.pl

Zagadnienia badawcze i stosowane techniki badawcze

dr hab. Sławomir Sęk

Adiunkt, Wydział Chemii UW

ul.Pasteura 1, 02-093 Warszawa, tel: 22 8220211 w 244, fax: 22 8225996

Badanie struktury i właściwości warstw molekularnych oraz modelowych membran

Przygotowanie optymalnych układów warstwowych do konstrukcji biosensorów, funkcjonalnych bionanostruktur oraz membran biomimetycznych wymaga ich szczegółowej charakterystyki zarówno pod kątem strukturalnym, jak i pod kątem właściwości. W naszej grupie wykorzystujemy całą gamę technik opartych na skaningowej mikroskopii bliskich oddziaływań do badania warstw zawierających lipidy, proste peptydy, jak również bardziej złożone białka. Nasze zainteresowania badawcze obejmują:

  • badania strukturalne na poziomie molekularnym, obrazowanie warstw z wysoką rozdzielczością (STM/AFM).
  • badania dynamiki formowania warstw w warunkach in situ, również z możliwością elektrochemicznej kontroli procesów adsorpcji (EC-STM/AFM).
  • obserwację zmian strukturalnych oraz zmian właściwości warstw wywołanych zmianami pola elektrycznego (EC-STM/AFM).
  • badanie właściwości mechanicznych warstw (AFM)
  • badanie właściwości adhezyjnych warstw molekularnych (spektroskopia sił oraz mikroskopia sił chemicznych)
  • badanie właściwości elektrycznych warstw molekularnych (STM oraz przewodzący tryb AFM).
  • lokalizacja biomolekuł unieruchomionych w matrycach z wykorzystaniem specyficznych oddziaływań oraz rozpoznania molekularnego (mikroskopia sił chemicznych oraz PicoTREC).
  • formowanie dwuwymiarowych nanostruktur warstwowych poprzez tzw. nanografting.

Zrealizowane i realizowane projekty badawcze/rozwojowe:

1. Projekt finansowany przez MNiSW no. N N204 138137 (projekt w trakcie realizacji 2009-2012) „Dalekozasięgowy transport elektronowy przez peptydy unieruchomione w złączach molekularnych oraz warstwach organicznych”. Projekt obejmuje zagadnienia związane z efektywnością transportu elektronowego przez łańcuchy peptydowe o zróżnicowanej strukturze. Jednym z celów jest określenie wpływu indywidualnych aminokwasów oraz ewentualnych zmian konformacyjnych peptydów na efektywność transportu elektronowego.

2. Projekt finansowany przez MNiSW no. 3 T09A 01627 (2004-2007) “Badania mechanizmu i efektywności transportu elektronowego przez cząsteczki samorzutnie zorganizowane w monowarstwach na elektrodach”. Celem projektu było zaprojektowanie modelowych układów monowarstwowych opartych na peptydach oraz określenie mechanizmu transportu elektronowego”

Wybrane publikacje:

  1. Sęk, S.; Bilewicz, R.; Słowiński, K. “Electrochemical Wiring of a,w-Alkanedithiol Molecules Into an Electrical Circuit” Chem. Comm 2004, 404.
  2. Sęk, S.; Sępioł, A.; Tolak, A.; Misicka, A.; Bilewicz, R. “Distance Dependence of the Electron Transfer Rate through Oligoglycine Spacers Introduced into Self-Assembled Monolayers” J. Phys. Chem. B 2004, 108, 8102.
  3. Sęk, S.; Maicka, E.; Bilewicz, R. “Efficient Electron Transfer through Hydrogen Bonded Interface” Electrochim. Acta , 2005, 50, 4857.
  4. Sęk, S.; Tolak, A.; Misicka, A.; Pałys, B.; Bilewicz, R. “Asymmetry of Electron Transmission through Monolayers of Helical Polyalanine Adsorbed on Gold Surfaces” J. Phys. Chem. B 2005, 109, 18433.
  5. Sęk, S.; Świątek, K.; Misicka, A. “Electrical Behavior of Molecular Junctions Incorporating a-Helical Peptide” J. Phys. Chem. B 2005, 109, 23121.
  6. Sęk, S.; Misicka, A.; Świątek, K.; Maicka, E.  „Conductance of alpha-Helical Peptides Trapped within Molecular Junctions” J. Phys. Chem. B 2006, 110, 19671.
  7. Kliś, M.; Maicka, E.; Michota, A.; Bukowska, J.; Sęk, S.; Rogalski, J.; Bilewicz, R. “Electroreduction of Laccase Covalently Bound to Organothiol Monolayers on Gold Electrodes”  Electrochim. Acta 2007, 52, 5591.
  8. Sęk, S. “Two Metal-Molecule Binding Modes for Peptide Molecular Junctions” J. Phys. Chem. C 2007, 111, 12860. (IF=3.396)
  9. Sęk, S.; Chen, M.; Brosseau, C.; Lipkowski, J. „In Situ STM Study of Field Driven Transitions in the Film of a Cationic Surfactant Adsorbed on a Au(111) Electrode Surface” Langmuir 2007, 23, 12529.
  10. Sęk, S.; Xu, S.; Chen, M.; Szymanski, G.; Lipkowski, J. „STM Studies of Fusion of Cholesterol Suspensions and Mixed 1,2-Dimyristoyl-sn-glycero-3-phosphocholine (DMPC)/Cholesterol Vesicles onto a Au(111) Electrode Surface” J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 5736.
  11. Sęk, S.; Laredo, T.; Dutcher, J. R.; Lipkowski, J. “Molecular Resolution Imaging of an Antibiotic Peptide in a Lipid Matrix” J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 6439.
  12. Sęk, S. “EC-STM Study of Potential-Controlled Adsorption of Substituted Pyrimidinethiol on Au(111)” Langmuir 2009, 25, 13488.
  13. Juhaniewicz, J.; Sęk, S. “„Peptide Molecular Junctions: Electron Transmission through Individual Amino Acid Residues” J. Electroanal. Chem. 2010, 649, 83.
  14. Matyszewska, D.; Sęk, S.; Bilewicz, R. „Changes in the Structure of Model Biological Membranes in the Presence of Perfluorooctancesulfonic acid – Electrochemical and EC-STM Study” J. Electroanal. Chem. 2010, 649, 53.

Badanie transportu leków antynowotworowych oraz wpływu nośników leków na modelowe błony komórkowe

dr Dorota Matyszewska

Prowadzimy badania dotyczące efektywności transportu wybranych leków antynowotworowych (doksorubicyny i daunomycyny) przez modelowe błony komórkowe. Proste modele błon składające się z mono- i dwuwarstw fosfolipidowych tworzone są za pomocą techniki Langmuira. Dzięki aktywności elektrochemicznej badanych leków proces ich transportu może być bezpośrednio śledzony za pomocą wybranych metod elektrochemicznych (woltamperometrii cyklicznej, woltamperometrii fali prostokątnej, chronokulometrii), a także obrazowany technikami mikroskopowymi. W celu poprawy biodostępności leków oraz zwiększenia ich akumulacji jedynie w obszarach zainfekowanych z pominięciem komórek zdrowych stosuje się nośniki leków takie jak nanocząstki złota oraz nanorurki węglowe. W związku z tym istotne znaczenie ma określenie wpływu potencjalnych nośników leków na modelowe błony biologiczne. Zmiany w ich strukturze i organizacji wywoływane przez obecność badanych nanostruktur pozwalają na określenie mechanizmów transportu leków wspomaganego nośnikami, zidentyfikowanie rodzajów oddziaływań pomiędzy nośnikami i składnikami modelowych błon, a także umożliwiają określenie warunków utrudniających lub ułatwiających transport leków. W celu scharakteryzowania zmian strukturalnych w modelowych błonach pod wpływem obecności nośników leków wykorzystywane są różnorodne techniki, w tym elektrochemiczne, mikroskopowe (AFM, STM, TEM) oraz spektroskopowe (PMIRRAS).

Wybrane publikacje:

  1. D. Matyszewska, K. Tappura, G. Orrad, R. Bilewicz, „Influence of Perfluorinated Compounds on the Properties of Model Lipid Membranes”, J. Phys. Chem. B 2007, 111, 9908-9918.
  2. D. Matyszewska, J. Leitch, R. Bilewicz, J. Lipkowski, „Polarization Modulation Infrared Reflection-Absorption Spectroscopy Studies of the Influence of Perfluorinated Compounds on the Properties of a Model Biological Membrane”, Langmuir 2008, 24, 7408-7412.
  3. D. Matyszewska, S. Sęk, R. Bilewicz, “Changes in the structure of model biological membranes in the presence of perfluorooctanesulphonic acid – Electrochemical and EC STM study”’, J. Electroanal. Chem., 2010, 649, 53–58.

Nanocząstki złota jako nośniki leków

dr Agnieszka Więckowska

W naszym zespole rozwijamy również tematykę obejmującą zastosowanie nanocząstek metalicznych, głównie nanocząstek złota. Klastery złota są to nanokryształy o rozmiarach od jednego do kilkuset nanometrów, których powierzchnia stabilizowana jest fizycznie lub chemicznie zaadsorbowanymi związkami. Adsorpcja związków chemicznych na powierzchni klasterów złota zapobiega ich agregacji a także umożliwia późniejszą modyfikację klasterów kolejnymi molekułami. Ze względu na swe rozmiary, klastery złota lokują się pomiędzy makroświatem, a światem kwantowym.

Monowarstwę pokrywającą rdzeń klasterów złota można w dowolny sposób modyfikować, czy też wymieniać na tiole zawierające grupy końcowe, takie jak karboksylowa, aminowa, hydroksylowa. Otwiera to szereg możliwości zakotwiczania na powierzchni koloidalnego złota różnych związków chemicznych: od prostych alkanotioli do DNA czy enzymów. Z punktu widzenia ich potencjalnego zastosowania w miniaturowych urządzeniach molekularnych takie modyfikowane klastery można zakotwiczać złota na powierzchniach stałych, wykorzystując szereg różnych oddziaływań niekowalencyjnych, takich jak oddziaływania typu: gość-gospodarz, p-p, van der Waalsa, donor-akceptor, antygen-przeciwciało i inne.

Modyfikowane klastery złota charakteryzuje ogromna liczba różnych zastosowań. Takie układy wykorzystuje się zarówno w chemii (jako katalizatory, czujniki, dodatki do polimerów, podłoża do SERS), naukach biologicznych (znaczniki mikroskopowe, bioczujniki, układy transportujące leki), czy w naukach o materiałach (elektronika w nanoskali, elektrooptyka, maszyny molekularne, filtry optyczne, przełączniki). Nanocząstki złota, w odróżnieniu od metalicznego złota, wykazują dużą aktywność katalityczną. Klastery złota są aktywnymi katalizatorami stosowanymi do utleniania tlenku węgla, czy wodoru, redukcji tlenku azotu, spalania metanolu.

Klastery złota modyfikowane oligonukleotydami wykorzystywane są także do oznaczania sekwencji DNA. Nić kwasu nukleinowego zakotwiczonego na koloidalnym złocie zachowuje zdolność do wiązania komplementarnej nici. Proces ten jest odwracalny, ponieważ po ogrzaniu do temperatury właściwej dla danej hybrydy, wiązania wodorowe pomiędzy komplementarnymi nićmi pękają. Elektrody modyfikowane w ten sposób stosuje się jako biosensory w diagnostyce chorób.

W ostatnim okresie wiele uwagi poświęca się także zastosowaniu klasterów złota do rozpoznawania protein, czy unieruchamiania enzymów. Wykorzystuje się na przykład oddziaływania typu antygen-przeciwciało. Enzymy unieruchomione na powierzchni klasterów metalicznych zachowują swą bioaktywność katalityczną w przeciwieństwie do analogicznych układów unieruchamianych na elektrodach metalicznych. W takich układach nanocząstki złota działają nie tylko jako matryca do unieruchamiania enzymów, ale także zapewniają transport elektronów pomiędzy enzymem a elektrodą, czyli mają funkcję mediacyjną, dzięki czemu tworzone układy często nie wymagają zewnętrznego mediatora.

Interesujące właściwości i stabilność tworzonych układów powoduje, że modyfikowane monowarstwami klastery złota znajdują się w ostatnich latach w centrum zainteresowania badaczy zajmujących się nauką w skali „nano”. Mogą one służyć do budowy nanostruktur w strategii „bottom-up”, czyli „z dołu do góry”. Układy zawierające nanocząstki złota to systemy łatwe do modyfikacji i zmiany konfiguracji pomiarowej w zależności od celu oznaczeń.

Wybrane publikacje:

  1. Di Li, Agnieszka Wieckowska and Itamar Willner
    ”Optical analysis of Hg2+ ions by oligonucleotide-Au nanoparticles hybrids and DNA-based machines” Angew. Chemie Int. Ed., 2008, 47, 3927-3931.
  2. Di Li, Yiming Yan, Agnieszka Wieckowska and Itamar Willner
    ”Amplified electrochemical detection of DNA through the aggregation of Au nanoparticles on electrodes and the incorporation of methylene blue into the DNA-crosslinked structure” Chem. Commun., 2007; 3544-3546.

Lipidowe mezofazy jako systemy do przechowywania biokatalizatorów oraz związków czynnych biologicznie

dr Ewa Nazaruk

W prowadzonych w naszym zespole badaniach wykorzystujemy lipidowe mezofazy do unieruchamiania biokatalizatorów oraz wybranych związków o działaniu leczniczym. Prowadzone badania mają na celu zaprojektowane i zsyntezowanie nowych, lipidowych cząsteczek o strukturze umożliwiającej otrzymanie mezofazy o założonej organizacji makromolekularnej i funkcjach. Celem prowadzonych badań jest konstrukcja bioogniwa paliwowego w których biokatalizatory, enzymy redoks, unieruchomione będą w nowej funkcjonalnej ciekłokrystalicznej matrycy oraz projektowanie nowych biozgodnych nośników leków. Otrzymane materiały są przewidziane do praktycznych zastosowań w implantowalnych do organizmu bioogniwach, biosensorach oraz jako nośników do kontrolowanego podawania leków.

Schemat - struktura ciekłokrystalicznej fazy kubicznej

Nienasycone monoglicerydy jak np. monooleina mogą tworzyć różne typy ciekłokrystalicznych struktur w roztworach wodnych. W układach takich obserwuje się między innymi powstawanie struktury o konsystencji żelu charakteryzującej się wysoką stabilnością oraz złożoną budową tzw. fazy kubicznej o strukturze przedstawionej na schemacie 1. Do unieruchamiania leków stosujemy również kubosomy, posiadające identyczną jak w przypadku faz kubicznych strukturę charakteryzującą się jednak silniej rozwiniętą powierzchnią oraz mniejszą lepkością. Fazy kubiczne są termodynamicznie trwałe, zawierają dyskretne domeny lipidowe i wodne, co umożliwia wprowadzanie molekuł o różnych właściwościach fizykochemicznych m.in. białek, witamin, hydrofobowych i hydrofilowych leków. W badaniach stosujemy leki o szerokim zakresie rozmiarów i struktury, są one wbudowywane w fazę kubiczną oraz kubosomy a następnie charakteryzowane strukturalnie oraz elektrochemicznie. Obecność zdefiniowanych hydrofilowych i hydrofobowych domen, umożliwia wprowadzenie rozpuszczalnych i membranowych białek, które w tej matrycy zachowują swą natywną strukturę oraz aktywność. Membranowe białka redoks są wyjątkowo wrażliwe i tracą zwykle aktywność, gdy są izolowane ze swego naturalnego środowiska – błony biologicznej. Te negatywne z punktu widzenia ich zastosowań cechy można usunąć poprzez rekonstytucję tych białek do matrycy, która przypomina naturalne środowisko. Peptydy, enzymy i leki przechowywane wewnątrz fazy kubicznej nie podlegają fizycznej czy chemicznej degradacji zachowując natywną konformację i bioaktywność. Zmieniając lipid tworzący fazę można modyfikować szerokość kanałów i ładunek na ścianach kanałów wodnych i zmieniać w ten sposób szybkość dyfuzji molekuł gościa. Istotnym elementem badań jest również oznaczanie biokompatybilności projektowanych mezofaz. Układy takie powinny być biozgodne, a więc absolutnie bezpieczne dla żywych organizmów i naszego środowiska.

Wybrane publikacje:

  1. Ewa Nazaruk Renata Bilewicz Göran Lindblom Britta Lindholm-SethsonBiosensors based on Cubic Phases”, ABC, 2008,391,1569-1578.
  2. Ewa Nazaruk, Sławomir Smoliński Marta Swatko-Ossor, Grażyna Ginalska, Jan Fiedurek, Jerzy Rogalski, Renata Bilewicz "A biofuel cell based on electrodes modified with lipid liquid-crystalline cubic phases”. J. Power Sources, 2008, 183, 533.
  3. Ewa Nazaruk, Kamila Sadowska, Karolina Madrak, Jan F. Biernat, Jerzy Rogalski Renata Bilewicz, „Composite Bioelectrodes Based on Lipidic Cubic Phase with Carbon Nanotube Network” Electroanalysis, 21, 2009,507-511.
2010 Uniwersytet Warszawski   •   Wszelkie prawa zastrzeżone
created by mtweb.pl