Прообразы будущих препаратов, которые могли бы получить практическое применение

Наука и жизньНаука

Живительный церий

Член-корреспондент РАН Владимир Иванов, директор Института общей и неорганической химии им. Н. С . Курнакова РАН.

В современной химии практически не осталось простых объектов для изучения. Поведение сложных химических систем становится непредсказуемым, а эксперименты — трудно воспроизводимыми. Разобраться в полученных данных бывает нелегко даже специалисту, и тем более трудно предвидеть, насколько важным окажется результат исследований для других областей науки. Но есть отличительный признак, маркер того, что идея «пошла в массы», — появление новых терминов, «якорных» слов, которые сначала занимают место в лексиконе учёных, а потом становятся знакомыми широкой аудитории. Среди таких терминов — тераностика и нанозимы.

Тераностика — сокращение от двух слов: терапия и диагностика. Этот термин обозначает одновременно проводимые диагностику и лечение заболеваний, в первую очередь онкологических. Термин нанозимы — тоже сокращение, обозначающее наноматериалы, которые способны выполнять функцию энзимов. Оба понятия появились сравнительно недавно, но уже хорошо известны научной общественности. И оба неплохо описывают одно из важных направлений деятельности нашего института.

Что такое энзимы, или ферменты? Это молекулы, преимущественно белковые, которые играют важнейшую роль в живых системах. Они участвуют практически во всех биологических процессах, без них невозможно представить себе существование жизни. Именно поэтому работы по исследованию ферментов были отмечены несколькими Нобелевскими премиями.

Примерно четверть века назад началась разработка синтетических аналогов энзимов, которые могут заменить в практических приложениях то, что существует в природе. Эта замена нужна, потому что природные энзимы очень дороги, выделить их в достаточно большом количестве — сложно и трудоёмко.

Совсем недавно, в 2007 году, было обнаружено, что наночастицы некоторых металлов и их оксидов тоже обладают энзимоподобными свойствами и могут участвовать в биохимических процессах. Ранее считалось, что в живых организмах существенную роль играют только ионы металлов, а наночастицы сами по себе, если они не растворяются и не выделяют ионы, практически инертны. Однако оказалось, что это не так: наночастицы действительно могут существовать в организме, не меняясь в течение длительного времени, но способны при этом выполнять функции энзимов. И первые подтверждения этому были получены при анализе химического поведения наночастиц благородных металлов — золота и платины.

В чём сходство и различие природных энзимов и нанозимов? И те и другие — катализаторы: они ускоряют биохимические реакции, протекающие в живых системах, а после завершения реакции возвращаются в исходное состояние. Природные энзимы обычно проявляют более высокую каталитическую активность и селективность, но у них есть и свои слабые места. В первую очередь, это свойство энзимов инактивироваться в неблагоприятных условиях. Скажем, температура повысилась, белок денатурировался, и энзим перестал работать. Инактивация энзимов может происходить под действием самых разных факторов, например, при изменении кислотности среды, при облучении ультрафиолетом. Наночастицы стали в этом смысле палочкой-выручалочкой, поскольку они гораздо более стабильны, выдерживают куда более жёсткие условия, хорошо работают как катализаторы и имеют несопоставимо меньшую стоимость.

Какие именно наночастицы могут выступать в роли нанозимов? Тут есть свои ограничения. Дело в том, что многие наноматериалы являются токсичными, например, за счёт растворения и выделения свободных ионов металлов. Некоторые наночастицы могут вызывать окислительный стресс в окружающих клетках и тканях. Наконец, наноматериалы концентрируют на себе вредные соединения из окружающей среды, и экологи этим вопросом серьёзно озабочены. Именно поэтому в качестве нанозимов обычно рассматривают наночастицы благородных металлов, а также оксида железа и некоторых углеродных материалов.

Совершенно особое место в ряду нанозимов занимает диоксид церия. Хотя ещё совсем недавно мало кто мог ожидать, что этот материал окажется столь многообещающим и разносторонним.

Диоксид церия, в отличие от других нанозимов, способен имитировать функции не одного и не двух, а очень большого числа ферментов. В первую очередь, широкого спектра ферментов, регулирующих окислительно-восстановительные процессы в организме, так называемых оксидоредуктаз. Их перечень обширен: каталаза, пероксидаза, супероксиддисмутаза и так далее. Но это ещё не всё. Диоксид церия в определённой степени имитирует функции важнейшего энзима — фосфатазы, он может влиять на многие ключевые процессы, идущие в клетках с участием фосфат-ионов. Есть у него и другие энзимоподобные свойства. Фактически мы имеем один универсальный материал, выполняющий сразу много функций.

Кристаллическая решётка диоксида церия.

С чем связано такое удивительное поведение диоксида церия? Вопрос остаётся открытым. Как считают многие исследователи, энзимоподобные функции диоксида церия связаны с тем, что церий может существовать в двух устойчивых степенях окисления, +3 и +4, и достаточно легко переключается между ними. Это его свойство широко используется в катализе.

Второй аспект, который обусловливает возможность использования диоксида церия в качестве нанозима, — его крайне низкая растворимость. Мы исследовали его растворимость вместе с коллегами с Химического факультета МГУ, и только при помощи наиболее чувствительных аналитических методов удалось её количественно измерить. Наши результаты были опубликованы и сейчас пользуются большой популярностью, потому что это первые надёжные справочные данные по растворимости диоксида церия.

Диоксид церия — достаточно популярный неорганический материал. Им занимались задолго до того, как была обнаружена его биологическая активность. Катализаторы на основе диоксида церия, благодаря его способности изменять степень окисления, применяются во многих промышленно значимых процессах. Приведу лишь один пример: диоксид церия служит ключевым компонентом так называемых трёхмаршрутных катализаторов, которые устанавливают в автомобилях для эффективного дожига выхлопных газов.

Другое его традиционное применение — в составе полировальных порошков. С помощью диоксида церия изготавливают оптическое стекло, полируют кремниевые пластины в микроэлектронике. Благодаря тому, что стоимость таких полировальных порошков относительно невысока, они получили широкое распространение.

История обнаружения биологической активности диоксида церия интересна и отчасти напоминает детективный сюжет. Началась она в 2003 году, когда в университете Вирджинии, в США, анализировали, каким образом наночастицы влияют на жизнеспособность различных клеток. Исследования проводились на клетках мозга крысы, обычно сохраняющих жизнеспособность в течение тридцати дней. Одним из исследуемых объектов был как раз диоксид церия. Его внесли в культуру клеток, поместили чашку Петри в инкубатор, а нерадивый аспирант про неё забыл. Через какое-то время профессор это обнаружила и распорядилась выбросить, но всё же бросила взгляд на чашку Петри и, к своему изумлению, увидела, что по прошествии двух месяцев клетки оказались вполне жизнеспособными. Более того, они нормально функционировали!

Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

Сошедший с орбиты Сошедший с орбиты

Как австралийцы изобрели «орбитальный» двигатель внутреннего сгорания

Наука и жизнь
На все сто На все сто

Сто мест для интересного и необычного отпуска в России

Cosmopolitan
Перовскитные солнечные элементы как перспективное направление зеленой энергетики Перовскитные солнечные элементы как перспективное направление зеленой энергетики

Как перовскитные солнечные элементы сделают энергетическую систему экологичнее?

Наука и техника
По имени солнце По имени солнце

Не так страшен загар, как отсутствие защиты кожи от солнца

Лиза
Это все Трамп Это все Трамп

Это можно было бы назвать «похищением Европы»

Монокль
Малая родина Малая родина

Одним июльским днем в Тверской области выпал снег

Вокруг света
Уральские археологи обнаружили первый случай древней охоты на малого пещерного медведя Уральские археологи обнаружили первый случай древней охоты на малого пещерного медведя

Пробитый человеком череп медведя нашли на палеолитическом памятнике Иманай

N+1
Чистая победа! Чистая победа!

10 способов избавиться от пыли в квартире

Лиза
Скелеты в шкафу: 12 фильмов о тайнах великих людей Скелеты в шкафу: 12 фильмов о тайнах великих людей

Эти фильмы помогут узнать больше о жизни известных людей

Cosmopolitan
Просто вместе Просто вместе

Они доказывают всем вокруг, что дружба между женщиной и мужчиной реальна

Harper's Bazaar
Как создать собственную игру Как создать собственную игру

Создать собственную игру — голубая мечта многих геймеров

Популярная механика
Самая здоровая диета: почему тебе стоит попробовать пескетарианство Самая здоровая диета: почему тебе стоит попробовать пескетарианство

Пескетарианство очень похоже на средиземноморскую диету

Cosmopolitan
15 французских фильмов о любви, которые растопят ваше сердце 15 французских фильмов о любви, которые растопят ваше сердце

15 французских фильмов о любви, способных растопить лед ваших сердец

Cosmopolitan
Анти-Instagram для аудитории TikTok: почему взлетела новая соцсеть без фильтров Poparazzi Анти-Instagram для аудитории TikTok: почему взлетела новая соцсеть без фильтров Poparazzi

Почему Poparazzi быстро «выстрелила» и надолго ли сохранится интерес к себе?

Forbes
Почему я купил Harvard Business Review Russia Почему я купил Harvard Business Review Russia

Чем Harvard Business Review будет заниматься в России

Forbes
Разводной ключ: когда брачный договор перестает работать Разводной ключ: когда брачный договор перестает работать

Как подготовиться к разводу грамотно

Forbes
10 действительно смешных сериалов 10 действительно смешных сериалов

Сериалы, которые подарят тебе порцию свежего юмора, еще не ставшего мейнстримом

Cosmopolitan
5 удивительных загадок из мира животных 5 удивительных загадок из мира животных

Тайны наших четвероногих друзей, о которых сами они тебе ни за что не расскажут!

Maxim
Тогда и сейчас: самые дерзкие преображения культовой актрисы Анджелины Джоли Тогда и сейчас: самые дерзкие преображения культовой актрисы Анджелины Джоли

Самые популярные и необычные образы Анджелины Джоли

Cosmopolitan
Напуганные щитомордники с маленьким запасом яда не стали кусаться и сбежали Напуганные щитомордники с маленьким запасом яда не стали кусаться и сбежали

Китайские щитомордники чувствуют, сколько яда у них осталось

N+1
Меры безопасности, которые убили больше людей, чем если бы их вовсе не было Меры безопасности, которые убили больше людей, чем если бы их вовсе не было

Правила безопасности, которые пора пересмотреть

Maxim
Вирус гепатита B заперли в клетке из ДНК Вирус гепатита B заперли в клетке из ДНК

Капсулы из молекул ДНК смогут нейтрализовать вирусы размером до 300 нанометров

N+1
Форменное безумие: лучшие фильмы про психбольницы Форменное безумие: лучшие фильмы про психбольницы

Фильмы про психбольных, больницы и психические расстройства

Cosmopolitan
Как устроен бизнес хакеров-вымогателей Как устроен бизнес хакеров-вымогателей

Как организована киберпреступность и какие стратегии она использует?

Популярная механика
История Стиви: каким получился сериал История Стиви: каким получился сериал

"История Лизи" — сериал-адаптация романа Стивена Кинга по сценарию Стивена Кинга

Esquire
О чем мужчины не расскажут после расставания: два признания О чем мужчины не расскажут после расставания: два признания

Истории мужчин, которые пережили тяжелый разрыв отношений

Psychologies
Кто тренирует Мадонну, Вирджила Абло, Беллу Хадид и как заниматься с ними Кто тренирует Мадонну, Вирджила Абло, Беллу Хадид и как заниматься с ними

Эффективные спортивные упражнения от самых звездных тренеров

РБК
Смотри не перепутай! В каком порядке эффективнее всего пользоваться косметикой Смотри не перепутай! В каком порядке эффективнее всего пользоваться косметикой

Эти простые правила домашнего ухода помогут твоей коже засиять здоровьем

Cosmopolitan
Слишком жарко: самые красивые и горячие парочки из сериалов Слишком жарко: самые красивые и горячие парочки из сериалов

Мы вспомнили самые красивые, трогательные и милые пары из сериалов

Cosmopolitan
От приложения до электронной коммерции: Топ-5 сфер применения языка PHP От приложения до электронной коммерции: Топ-5 сфер применения языка PHP

Несколько вдохновляющих примеров того, что можно делать с помощью языка PHP

Популярная механика
Открыть в приложении