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

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
Праздник, который всегда с тобой: кто и зачем каждый год ездит на Дягилевский фестиваль Праздник, который всегда с тобой: кто и зачем каждый год ездит на Дягилевский фестиваль

Кто и зачем каждый год ездит на Дягилевский фестиваль

Seasons of life
Не рокот космодрома Не рокот космодрома

Как и зачем строят космодромы

Популярная механика
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
За что казнили Джордано Бруно За что казнили Джордано Бруно

Джордано Бруно окончил свою жизнь на костре за совсем другие «прегрешения»

Дилетант
Десятки видов клещей, тысячи видов микробов: чем опасна домашняя пыль Десятки видов клещей, тысячи видов микробов: чем опасна домашняя пыль

Чем опасна пыль

Cosmopolitan
Цветы, сокрытые в тени Цветы, сокрытые в тени

Растение, похожее на ниндзя — кислица

Наука и жизнь
Торговая война США и Китая «взрастила гиганта»: история онлайн-магазина Shein, который обходит по продажам Zara и H&M Торговая война США и Китая «взрастила гиганта»: история онлайн-магазина Shein, который обходит по продажам Zara и H&M

Как Shein устроил продажи и что его ждет в будущем?

VC.RU
Открытие, получившее признание через век Открытие, получившее признание через век

Владимир Буткевич первым задался проблемой соотношения бактерий

Наука и жизнь
С головы до ног: каким должен быть уход за телом во время беременности С головы до ног: каким должен быть уход за телом во время беременности

Рассказываем все об уходе за собой во время беременности

Cosmopolitan
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
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
Трагедия Эйнштейна, или счастливый Сизиф Трагедия Эйнштейна, или счастливый Сизиф

Кто самый великий физик?

Наука и жизнь
На космических задворках: есть ли жизнь на краю Галактики На космических задворках: есть ли жизнь на краю Галактики

Жизнь способна зародиться почти в любой точке Галактики

Forbes
Человек и салат: 9 мифов о Юлии Цезаре Человек и салат: 9 мифов о Юлии Цезаре

Правда и мифы о Юлии Цезаре

Вокруг света
Музыка Земли: как композиторы ставят на службу искусства шум волн, биение сердца и землетрясения Музыка Земли: как композиторы ставят на службу искусства шум волн, биение сердца и землетрясения

Мы живем в окружении звуков. Или того, что можно в них превратить

Вокруг света
Триумф 57 мм Триумф 57 мм

Новое слово в разработке российских бронемашин

Популярная механика
Считавшуюся вымершей австралийскую мышь переоткрыли спустя 160 лет Считавшуюся вымершей австралийскую мышь переоткрыли спустя 160 лет

Оказалось, что мыши Гульда существуют и сегодня, но под другим именем

N+1
Гидрофойл для миллионов Гидрофойл для миллионов

Гидрофойл – доска на подводных крыльях для серфинга

Популярная механика
11 лучших европейских сериалов Netflix 11 лучших европейских сериалов Netflix

Которые доказывают, что потенциальный хит можно снять не только в Голливуде.

GQ
Путеводитель по музею Фаберже Путеводитель по музею Фаберже

Самое крупное в мире собрание работ знаменитой ювелирной фирмы

Культура.РФ
Диетолог Виктории Бэкхем: Диетолог Виктории Бэкхем:

Основные принципы составления меню: как похудеть и помолодеть

Cosmopolitan
Пэрис в велюре, Бритни с голым животом: как одевались звезды-тусовщицы в нулевые Пэрис в велюре, Бритни с голым животом: как одевались звезды-тусовщицы в нулевые

Вспоминаем, что носили звезды-тусовщицы в нулевые

Cosmopolitan
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
Кто стоит за взлетом и падением онлайн-кинотеатра TVzavr и кому он может продаться за долги Кто стоит за взлетом и падением онлайн-кинотеатра TVzavr и кому он может продаться за долги

Кто на протяжении десяти лет стоял за TVzavr

Forbes
«Все плохое принимай как опыт»: почему это плохой совет «Все плохое принимай как опыт»: почему это плохой совет

Может ли негативный опыт быть полезным?

Psychologies
Ледопады, шахты, панты: что посмотреть и попробовать на Таймыре Ледопады, шахты, панты: что посмотреть и попробовать на Таймыре

Отправляемся в Норильск и на полуостров Таймыр

РБК
«Запоминают тех, кто сделал продукт массовым, а не выпустил его первым»: главное из интервью основателя Ecwid «Запоминают тех, кто сделал продукт массовым, а не выпустил его первым»: главное из интервью основателя Ecwid

Основателя Ecwid — почему для успеха не нужно быть первооткрывателем

VC.RU
3 дня на воде 3 дня на воде

Ради эксперимента мы посадили нашего автора на воду и даже без хлеба

Cosmopolitan
Дерзкие дети: исправить, но не сломать Дерзкие дети: исправить, но не сломать

Что делать, если ваш ребенок считает себя умнее всех и не признает авторитетов?

Psychologies
Открыть в приложении