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

Рефераты Рефераты

Скользящий ток, жёсткий рентген и алмазная электроника

Наука и жизнь
101 правило жизни: школьный учитель спасает мир от стресса 101 правило жизни: школьный учитель спасает мир от стресса

Простые и эффективные способы того, как дать стрессу отпор

Cosmopolitan
Поговорим о космологии Поговорим о космологии

Пять работ, посвященных космологии, с комментариями специалиста

Знание – сила
Углекислый газ помог получить транспортные слои для солнечных элементов Углекислый газ помог получить транспортные слои для солнечных элементов

Новые солнечные элементы эффективнее за счет меньшего количества ионов лития

N+1
Мария Куликова: «Моя жизнь перевернулась в одно мгновение» Мария Куликова: «Моя жизнь перевернулась в одно мгновение»

Пожалуйста, дайте мне какую-нибудь дрянь сыграть!

Коллекция. Караван историй
Почему не стоит говорить коллегам: «Мне нужно, чтобы ты…» Почему не стоит говорить коллегам: «Мне нужно, чтобы ты…»

Как корректно формулировать просьбы, пожелания и замечания на работе

Psychologies
Одна вокруг света: забастовка на дороге и самое толстое дерево в мире Одна вокруг света: забастовка на дороге и самое толстое дерево в мире

123-я серия о кругосветном путешествии москвички Ирины Сидоренко, Мексика

Forbes
5 неожиданных фактов о раке легкого 5 неожиданных фактов о раке легкого

Рак легкого: цифры, трудная диагностика и другие факты

Популярная механика
Непревзойденные асы: как живут и охотятся стрекозы Непревзойденные асы: как живут и охотятся стрекозы

Это не миражи и не призраки, а стремительные и ловкие охотники из мира насекомых

Вокруг света
5 самых бесполезных фишек современных автомобилей 5 самых бесполезных фишек современных автомобилей

Собрать бы эти технологические примочки да сжечь…

Maxim
Форменное безумие: лучшие фильмы про психбольницы Форменное безумие: лучшие фильмы про психбольницы

Фильмы про психбольных, больницы и психические расстройства

Cosmopolitan
Продажи как искусство: 4 книги для развития навыков и харизмы Продажи как искусство: 4 книги для развития навыков и харизмы

Какой он, продажник XXI века? Книги по новым технологиям продаж

Популярная механика
Под прикрытием Под прикрытием

Санскрины становятся все более приятными и эффективными

Glamour
Как гигантские контейнеровозы перевозят грузы Как гигантские контейнеровозы перевозят грузы

Гигантский контейнеровоз кажется неподвижным и незыблемым перед лицом стихии

Популярная механика
Яндекс разработал языковую модель для генерации текстов Яндекс разработал языковую модель для генерации текстов

«Зелибоба» — генератор текстов от Яндекса

N+1
Северная доставка Северная доставка

Как компания из Архангельска стала крупнейшим игроком на рынке фудтеха

Forbes
Как деликатно намекнуть девушке на секс: 8 идей, помогающих избежать неловкости Как деликатно намекнуть девушке на секс: 8 идей, помогающих избежать неловкости

Как экологично завести разговор об интиме с потенциальной партнершей?

Playboy
Что такое фейсфитнес и почему его критикуют Что такое фейсфитнес и почему его критикуют

Рассказываем, как укрепить мышцы лица и сохранить упругую кожу

РБК
4 шага, чтобы наладить диалог со своей Тенью 4 шага, чтобы наладить диалог со своей Тенью

Что общего между перфекционизмом, заниженной самооценкой и трудной судьбой?

Psychologies
Белый, который не полнит: как правильно носить самый коварный цвет в одежде Белый, который не полнит: как правильно носить самый коварный цвет в одежде

Как правильно носить белые вещи

VOICE
Победивший голод: как Победивший голод: как

Лунпин Юань – ученый, спасший десятки миллионов жизней

Популярная механика
В будущее возьмут не всех. Почему в России важно развивать креативные индустрии В будущее возьмут не всех. Почему в России важно развивать креативные индустрии

Спикеры ПМЭФ — об экономике идей в России и роли женщин в креативных отраслях

СНОБ
Как выглядели в юности Лера Кудрявцева, Ольга Бузова и другие телеведущие Как выглядели в юности Лера Кудрявцева, Ольга Бузова и другие телеведущие

Как Дана Борисова, Тина Канделаки и другие звезды выглядели в начале карьеры

Cosmopolitan
Как не стать жертвой террора и других бед во время отдыха Как не стать жертвой террора и других бед во время отдыха

Как избежать столкновения с террористами?

Cosmopolitan
Уроки на экваторе Уроки на экваторе

Месяц в деревне в Кении глазами волонтера-учительницы из России

Вокруг света
Как провести отпуск в стиле slow life, где главное — еда Как провести отпуск в стиле slow life, где главное — еда

Сегодня еда становится самоцелью и причиной посетить тот или иной регион

РБК
Зрительная память Зрительная память

Сорок лет совместной работы и дружбы двух fashion-легенд — Линдберга и Соццани

Harper's Bazaar
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
Шут или герой нашего времени: чему стоит поучиться у Моргенштерна? Шут или герой нашего времени: чему стоит поучиться у Моргенштерна?

Почему Моргенштерн вызывает столько эмоций и чему это может нас научить?

Psychologies
Что такое «новый мужской костюм» и при чем тут рубашки с алоэ вера Что такое «новый мужской костюм» и при чем тут рубашки с алоэ вера

Нужна ли современному пиджаку подкладка, а брюкам — стрелки?

РБК
Открыть в приложении