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

Драма 1921 года Драма 1921 года

Страшные подробности царь-голода в Советской России 1921 года

Дилетант
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
Силой мысли, или что обещает нам Илон Маск Силой мысли, или что обещает нам Илон Маск

Чего же Маск хотел в сфере нейроинтерфейсов, что сделал и что сможет сделать

Популярная механика
Как гигантские контейнеровозы перевозят грузы Как гигантские контейнеровозы перевозят грузы

Гигантский контейнеровоз кажется неподвижным и незыблемым перед лицом стихии

Популярная механика
Иллюзия успеха Иллюзия успеха

Четыре истории о талантливых мастерах пускать пыль в глаза

Популярная механика
А ты так делаешь? 7 безобидных привычек, которые могут вызвать рак А ты так делаешь? 7 безобидных привычек, которые могут вызвать рак

Некоторые обыкновенные привычки не так безобидны, как можно было бы подумать

Cosmopolitan
Метавселенные Метавселенные

Главная технология и тренд этого года – виртуальные вселенные, или метавселенные

Популярная механика
Клиповое мышление: глобальная трансформация человека Клиповое мышление: глобальная трансформация человека

Чем же отличаются «люди экрана» от «людей книги»?

Популярная механика
Открытие, получившее признание через век Открытие, получившее признание через век

Владимир Буткевич первым задался проблемой соотношения бактерий

Наука и жизнь
Одежда из воздуха и цветов: 6 технологий, которые сделали это возможным Одежда из воздуха и цветов: 6 технологий, которые сделали это возможным

Технологии, которые делают моду более этичной и экологичной

РБК
Цветы, сокрытые в тени Цветы, сокрытые в тени

Растение, похожее на ниндзя — кислица

Наука и жизнь
Очарованный мезон поймали за превращением в свою античастицу Очарованный мезон поймали за превращением в свою античастицу

Физики обнаружили осцилляции типа «частица-античастица» состояний мезона

N+1
Последний из динозавров Последний из динозавров

Суперкары Lamborghini Huracan Evo должны жить на идеальных гоночных трассах

Популярная механика
10 ошибок снятия макияжа, которые портят твою кожу 10 ошибок снятия макияжа, которые портят твою кожу

Снятие макияжа в домашних условиях: главные ошибки

Cosmopolitan
Кромвель: диктатор-цареубийца Кромвель: диктатор-цареубийца

Путь от противника неограниченной королевской власти к режиму жёсткой деспотии

Дилетант
Цветы жизни Цветы жизни

Лев Рубинштейн — о разных ипостасях роз и обманутых ожиданиях

GQ
Равнение назад! Равнение назад!

Почему сильные, здоровые и умные не виноваты перед слабыми, больными и глупыми

Maxim
Master class в темпе вальса. К 80-летию режиссера Алексея Бородина Master class в темпе вальса. К 80-летию режиссера Алексея Бородина

Эссе-портрет режиссера Алексея Бородина

СНОБ
Строители невидимых путей Строители невидимых путей

Как устроен морской порт

Популярная механика
Мировые рекорды скорости: от паровых машин до ракетных двигателей на соляных озерах Мировые рекорды скорости: от паровых машин до ракетных двигателей на соляных озерах

Как только появились первые автомобили, человечество начало мечтать о скорости

Вокруг света
Как справиться с токсикозом на раннем сроке: 5 лайфхаков от Кейт Миддлтон Как справиться с токсикозом на раннем сроке: 5 лайфхаков от Кейт Миддлтон

Как облегчить симптомы раннего токсикоза?

Cosmopolitan
Повод для вызова Повод для вызова

Прямая речь актрисы и режиссера Светланы Устиновой

OK!
Наука или индустрия: как сделать правильный выбор Наука или индустрия: как сделать правильный выбор

Что мотивирует людей совмещать работу в ИТ и преподавание?

Популярная механика
7 вещей, которые мы бы хотели изменить в девушках 7 вещей, которые мы бы хотели изменить в девушках

В девушках все же есть черты, которые мы не против усовершенствовать

Maxim
Как надолго задержать дыхание под водой и не умереть: 5 простых шагов Как надолго задержать дыхание под водой и не умереть: 5 простых шагов

Сейчас мы научим тебя пребывать в состоянии статического апноэ больше 10 минут

Maxim
Чем бизнесу грозит утечка пользовательских данных и как себя от этого обезопасить Чем бизнесу грозит утечка пользовательских данных и как себя от этого обезопасить

С ростом количества персональной информации в онлайне растет и угроза ее утечки

Inc.
«Я боюсь причинить неудобство другим людям»: когда на самом деле стыдиться не за что «Я боюсь причинить неудобство другим людям»: когда на самом деле стыдиться не за что

Отрывок из книги Ирины Адлер — о неуверенности и чувстве вины

Forbes
Болезнь дочери, скандалы с Эмбер Херд и крах карьеры: личные драмы Джонни Деппа Болезнь дочери, скандалы с Эмбер Херд и крах карьеры: личные драмы Джонни Деппа

Звездный актер кино "Пираты Карибского моря" пережил серьезные испытания в жизни

Cosmopolitan
Как распознать, что ваш первый клиент — не то, что нужно Как распознать, что ваш первый клиент — не то, что нужно

Как распознать «неправильного» первого клиента

Inc.
Самый быстрый Килиан Самый быстрый Килиан

Килиан Мбаппе – один из самых многообещающих игроков в современном футболе

Esquire
Открыть в приложении