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

Космические нейтрино высоких энергий рождаются квазарами Космические нейтрино высоких энергий рождаются квазарами

Каждую секунду Земле проходят более 60 миллиардов нейтрино

Наука и жизнь
5 самых странных предметов, проглоченных человеком: рентгеновские снимки 5 самых странных предметов, проглоченных человеком: рентгеновские снимки

Случаи, когда взрослые люди глотают довольно необычные вещи

Популярная механика
И стол, и код И стол, и код

Грузинское застолье — «нематериальное культурное наследие грузинского народа»

Огонёк
«Хаббл» понаблюдал за «бабочкой» в созвездии Скорпион «Хаббл» понаблюдал за «бабочкой» в созвездии Скорпион

Планетарная туманность Бабочка имеет чрезвычайно сложную структуру

National Geographic
Дети декабря Дети декабря

Декабристы — безумцы, герои, предатели или лучшие сыны нации?

Дилетант
Состояние историческое: 10 подкастов, которые помогут восполнить пробелы в знаниях Состояние историческое: 10 подкастов, которые помогут восполнить пробелы в знаниях

Самые интересные подкасты об истории на русском языке

Esquire
5 странных профессий со всего мира 5 странных профессий со всего мира

Только представь себе их Доски почета!

Maxim
Архивировать себя. Как цифровые аватары сделают нас бессмертными Архивировать себя. Как цифровые аватары сделают нас бессмертными

Какими бывают виртуальные копии и как они меняют понятие человечности

СНОБ
Метиленовый синий предложили использовать в качестве солнцезащитного средства Метиленовый синий предложили использовать в качестве солнцезащитного средства

Метиленовый синий может стать безопасной альтернативой оксибензону

N+1
Ошибка наблюдателя: почему умные камеры не предотвратят резонансные преступления Ошибка наблюдателя: почему умные камеры не предотвратят резонансные преступления

Может ли система видеонаблюдения помочь предотвратить преступления?

Forbes
Собрание отчуждений Собрание отчуждений

О выставке «Охотники за искусством» и коллекционировании как эскапизме

Weekend
Правила жизни Кирилла Серебренникова Правила жизни Кирилла Серебренникова

Правила жизни режиссера Кирилла Серебренникова

Esquire
Детская матрица. Зачем власти нужен «белый интернет» для школьников Детская матрица. Зачем власти нужен «белый интернет» для школьников

Попытки создания социальных матриц пока что не увенчались успехом

СНОБ
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
15 ошибок, которые снова и снова совершают все девочки 15 ошибок, которые снова и снова совершают все девочки

Все девочки наступают на эти грабли

Cosmopolitan
Около нуля: как безалкогольное пиво захватывает мир Около нуля: как безалкогольное пиво захватывает мир

Безалкогольное пиво: чем вызван его успех и как его производят?

Playboy
«Нам нужны фильмы о людях, которые следуют своим мечтам»: интервью с режиссером фильма «Маржела: своими словами» Райнером Хольцемером «Нам нужны фильмы о людях, которые следуют своим мечтам»: интервью с режиссером фильма «Маржела: своими словами» Райнером Хольцемером

Режиссер Райнер Хольцемер: каково это — снимать фильмы о моде в мире

Esquire
Audi e-tron Sportback: история о том, как немцы в фару проектор запихнули Audi e-tron Sportback: история о том, как немцы в фару проектор запихнули

В Россию приехал второй электрический автомобиль от Audi — e-tron Sportback

Популярная механика
До мурашек: лучшие экранизации «короля ужасов» Стивена Кинга До мурашек: лучшие экранизации «короля ужасов» Стивена Кинга

Стивен Кинг как никто умеет создавать напряжение и атмосферу страха

Cosmopolitan
Почему ребенок ворует и как это прекратить Почему ребенок ворует и как это прекратить

Почему дети воруют и как быть в такой ситуации?

Psychologies
Мускулистый блондин vs фрик в разводе: как менялся Александр Шпак Мускулистый блондин vs фрик в разводе: как менялся Александр Шпак

Как менялся Шпак и зачем ему нужно было отказываться от облика обычного человека

Cosmopolitan
Спасение от коровьей отрыжки: новое изобретение, снижающее выделение метана Спасение от коровьей отрыжки: новое изобретение, снижающее выделение метана

Сельскохозяйственный гигант сообщил о скором начале продаж масок для коров

National Geographic
Кто победит аферы «звонарей»? Кто победит аферы «звонарей»?

Черный рынок персональных данных в России бурно развивается

Эксперт
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
Как устроен патрульный катер «Мангуст» с ракетной установкой Как устроен патрульный катер «Мангуст» с ракетной установкой

Эта легкомысленного вида посудина — первая в своем роде

Maxim
Выключение света по ночам назвали эффективным способом сократить гибель перелетных птиц Выключение света по ночам назвали эффективным способом сократить гибель перелетных птиц

Чтобы уменьшить смертность птиц — достаточно гасить на ночь половину окон центра

N+1
Ранненеолитическое поселение Кёртик-тепе назвали крупным центром развития духовной культуры Ранненеолитическое поселение Кёртик-тепе назвали крупным центром развития духовной культуры

Артефакты с богатым орнаментом нашли при раскопках в Юго-Восточной Анатолии

N+1
Достопримечательности мира, опасные для людей Достопримечательности мира, опасные для людей

Оказывается, там, где нас нет, все тоже довольно плохо

Maxim
На старт, внимание, лайк На старт, внимание, лайк

Сколько можно заработать на инстаграм-марафонах?

Glamour
Каким должен быть контент, чтобы зарабатывать на нем в 2021 году Каким должен быть контент, чтобы зарабатывать на нем в 2021 году

Контент-маркетинг в русскоязычном интернете настигла инфляция

СНОБ
Открыть в приложении