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

Созвездие рекламы Созвездие рекламы

Почему разработчики ионных двигателей занялись проектом космической рекламы

Популярная механика
Палеонтологи изучили гистологическое строение костей сибирского пситтакозавра Палеонтологи изучили гистологическое строение костей сибирского пситтакозавра

Ранняя гистологическая зрелость может быть эволюционной тенденцией пситтакозавра

N+1
Электрические кабели живых клеток Электрические кабели живых клеток

Вопрос о существовании «животного электричества»

Наука и жизнь
От 36 и старше: 12 холостяков-миллиардеров из России От 36 и старше: 12 холостяков-миллиардеров из России

Подборка завидных богатых холостяков

Cosmopolitan
Кремний с нанопорами — материал с неисчерпаемыми возможностями Кремний с нанопорами — материал с неисчерпаемыми возможностями

Нанопористый кремний — перспективный материал для микроэлектроники и биомедицины

Наука и жизнь
Саранча на обед, долгоносики на ужин: где, как и зачем готовят и едят насекомых Саранча на обед, долгоносики на ужин: где, как и зачем готовят и едят насекомых

Насекомые на вашей тарелке

Вокруг света
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
В балтийском янтаре обнаружили паразитирующий на муравьях гриб В балтийском янтаре обнаружили паразитирующий на муравьях гриб

Исследователи открыли новый вид паразитирующих грибов, похожих на кордицепс

N+1
Чем грозит слабеющий гольфстрим? Чем грозит слабеющий гольфстрим?

Новые данные, уточняющие поведение Гольфстрима

Наука и жизнь
Лови момент! 10 лайфхаков для фото с вечеринки Лови момент! 10 лайфхаков для фото с вечеринки

Лучшие фотографии – неожиданные

Cosmopolitan
Долгая счастливая жизнь Долгая счастливая жизнь

Старение – это естественно, но не нормально

Популярная механика
Кирилл Рихтер: «Мне нравится жить в мире звуков» Кирилл Рихтер: «Мне нравится жить в мире звуков»

Кирилл Рихтер – о музыке, социофобии и садах на крыше

Cosmopolitan
Медленно, но верно Медленно, но верно

Найти свой рабочий ритм, следовать ему и при этом все успевать

Psychologies
5 экспонатов выставки «Театр.Rus» в Новом Манеже 5 экспонатов выставки «Театр.Rus» в Новом Манеже

Уникальные экспонаты, способные рассказать историю русского театра

Культура.РФ
Семейство мико Семейство мико

Мико — очаровательные родственники больших обезьян

Наука и жизнь
«Диана плакала, смущая королеву»: как Елизавета II относилась к принцессе «Диана плакала, смущая королеву»: как Елизавета II относилась к принцессе

Диана Спенсер позволяла себе очень личные отношения с Ее Величеством

Cosmopolitan
Престо, модерато, адажио Престо, модерато, адажио

Рассказ Игоря Вереснева

Наука и жизнь
Я и моя тень: знаменитости и их домашние животные — точные копии хозяев Я и моя тень: знаменитости и их домашние животные — точные копии хозяев

Домашние животные Анастасии Решетовой, Насти Каменских и других селебрити

Cosmopolitan
Наука побеждать Наука побеждать

Краткое введение в историю и биомеханику смешанных единоборств

Популярная механика
46 рецептов хорошей жизни от древних мудрецов 46 рецептов хорошей жизни от древних мудрецов

Иногда стоит вспомнить о принципах стоицизма

Psychologies
Лариса Долина: «Расслабляться не умею и не хочу» Лариса Долина: «Расслабляться не умею и не хочу»

Лариса Долина — о преображении, силы воли и нежелании расслабляться

Здоровье
4 правила и 3 продукта для чистой кожи 4 правила и 3 продукта для чистой кожи

Диетолог о секретах чистой кожи

Cosmopolitan
«Стараюсь удерживать вес, и это у меня получается» «Стараюсь удерживать вес, и это у меня получается»

Опыт похудения на диете Дюкана

Худеем правильно
Переход на водород Переход на водород

Решения для широкого использования водорода как топлива уже существуют

Наука
Самый короткий тест на любовь: проверьте свои отношения, не вставая с дивана Самый короткий тест на любовь: проверьте свои отношения, не вставая с дивана

Это и есть моя жизнь? Мои отношения? Куда все это движется?

Psychologies
Как сделать лицо чувственным: главные бьюти-секреты принцессы Дианы Как сделать лицо чувственным: главные бьюти-секреты принцессы Дианы

Принцесса Диана пользовалась секретами, которые помогали ей прекрасно выглядеть

Cosmopolitan
Мальчики учат нас краситься: 10 самых популярных бьюти-блогеров парней Мальчики учат нас краситься: 10 самых популярных бьюти-блогеров парней

Лучшие бьюти-блогеры - мужчины, овладевшие мастерством визажа в идеале

Cosmopolitan
«Вернулась со свидания с крашем»: как соцсети развращают детей «Вернулась со свидания с крашем»: как соцсети развращают детей

Почему в соцсетях дети ведут себя вызывающе и какими могут быть последствия?

Psychologies
«Семья живет, пока в ней есть дети» «Семья живет, пока в ней есть дети»

Дмитрий Маликов — о предстоящем концерте, поклонницах и популярности в соцсетях

OK!
Стили рэпа: гид по самым заметным направлениям от восьмидесятых и до наших дней Стили рэпа: гид по самым заметным направлениям от восьмидесятых и до наших дней

Если ты еще думаешь, что весь рэп одинаковый — лови наш мини-справочник

Playboy
Открыть в приложении