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

Открытие, получившее признание через век Открытие, получившее признание через век

Владимир Буткевич первым задался проблемой соотношения бактерий

Наука и жизнь
Канье Уэст и Мандельштам. Премьера клипа и интервью с Сашей Гагариным из «Сансары» Канье Уэст и Мандельштам. Премьера клипа и интервью с Сашей Гагариным из «Сансары»

Солист «Сансары» — о поэзии, русской музыке и Мандельштаме

СНОБ
6 признаков глупого человека 6 признаков глупого человека

Как понять, кого нужно избегать? Да и нужно ли на самом деле?

Psychologies
Вечно беременная: как частые роды влияют на тело — на примере Костенко и других Вечно беременная: как частые роды влияют на тело — на примере Костенко и других

Эти мамы не думают о том, как частые беременности могут повлиять на здоровье

Cosmopolitan
В ожидании космического отпуска В ожидании космического отпуска

Самые реальные варианты космического туризма

Популярная механика
Осознанные занятия спортом помогают бороться с тревогой Осознанные занятия спортом помогают бороться с тревогой

Как справиться с тревогой с помощью физических нагрузок?

Psychologies
Гора серебряная Гора серебряная

Как добывают благородные металлы

Популярная механика
Маршрут построен Маршрут построен

12 лучших автопутешествий по 1/9 части суши планеты Земля

Men’s Health
Долгая счастливая жизнь Долгая счастливая жизнь

Старение – это естественно, но не нормально

Популярная механика
Как общаться с пожилыми родителями? Как общаться с пожилыми родителями?

Как наладить взаимопонимание с пожилыми родителями и снять напряжение в семье?

Psychologies
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
Весовые системы бронзового века на Ближнем Востоке и в Европе оказались родом из Месопотамии Весовые системы бронзового века на Ближнем Востоке и в Европе оказались родом из Месопотамии

Весовые меры Индской цивилизации возникли, возможно, самостоятельно

N+1
Эпоха тюрок. Печенеги Эпоха тюрок. Печенеги

С IX века хозяевами Великой степи становятся тюркоязычные народы

Дилетант
Химики превратили биоразлагаемые вилки в пену Химики превратили биоразлагаемые вилки в пену

Вилки из биопластика превратили в пену с помощью углекислого газа

N+1
Умберто Эко Умберто Эко

Умберто Эко глазами Дмитрия Быкова

Дилетант
Сухое утопление: смертельная опасность может грозить не только в воде Сухое утопление: смертельная опасность может грозить не только в воде

Как распознать сухое утопление и что сделать, чтобы спасти пострадавшему жизнь

Cosmopolitan
Цифровая лихорадка Цифровая лихорадка

С каждым годом майнинг биткоинов требует больше ресурсов, но не останавливается

ТехИнсайдер
Метеозависимость: симптомы, причины, комментарии эксперта Метеозависимость: симптомы, причины, комментарии эксперта

Что такое метеозависимость и как с ней жить?

РБК
Сахаров: портрет на фоне эпохи Сахаров: портрет на фоне эпохи

Что заставило академика Сахарова вступить в противостояние с политбюро и КГБ?

Дилетант
Детские психотравмы связали с получением большего удовольствия от морфина Детские психотравмы связали с получением большего удовольствия от морфина

Люди, перенесшие психологические травмы, получают больше удовольствия от морфина

N+1
Грунт и асфальт: раллийный триумф Subaru Грунт и асфальт: раллийный триумф Subaru

Лучшие результаты в ралли Великобритании показали три Subaru Impreza 555

Популярная механика
Замена нескольких кодонов на синонимичные защитила бактерии от вирусов Замена нескольких кодонов на синонимичные защитила бактерии от вирусов

Ученые дали новый смысл потерявшим значение кодонам

N+1
17 Instagram-аккаунтов, которые научат тебя плести фантастические косы 17 Instagram-аккаунтов, которые научат тебя плести фантастические косы

Авторы этих аккаунтов вдохновят вас на потрясающие прически

Cosmopolitan
Как определить размер пениса: мифы и правда Как определить размер пениса: мифы и правда

Со времен изобретения пенисов вокруг них ходит много легенд

Maxim
«Чувство юмора спасает нас во всем» «Чувство юмора спасает нас во всем»

Максим Лагашкин и Екатерина Стулова отмечают 25-ю годовщину со дня свадьбы

OK!
Орнитологи переоткрыли скрывавшуюся 16 лет птицу из Венесуэлы Орнитологи переоткрыли скрывавшуюся 16 лет птицу из Венесуэлы

Орнитологи встречали венесуэльского москитеро всего три раза

N+1
Казанова или Чикатило? Разрешенные и запрещенные способы соблазнения Казанова или Чикатило? Разрешенные и запрещенные способы соблазнения

Как соблазнять женщин без угрызений совести и Уголовного кодекса

Maxim
Личная жизнь Михалковой, Исаковой и других звезд фильма «Очень женские истории» Личная жизнь Михалковой, Исаковой и других звезд фильма «Очень женские истории»

В жизни артисток «Очень женские истории» произошли любовные перипетии

Cosmopolitan
10 сериалов с крутыми парнями 10 сериалов с крутыми парнями

Сериалы, главные герои которых — отличные парни

Cosmopolitan
Почему быстро перегорают светодиодные лампы? Почему быстро перегорают светодиодные лампы?

Почему некоторые светодиодные лампы быстро выходят из строя

CHIP
Открыть в приложении