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

Лучше, чем жизнь Лучше, чем жизнь

Традиционно самыми ресурсоемкими считались спецэффекты для кино

Популярная механика
«Три ребенка - это перебор!»: забавные фразы Кейт Миддлтон и Уильяма о детях «Три ребенка - это перебор!»: забавные фразы Кейт Миддлтон и Уильяма о детях

Родители королевских детей говорят о них так, что невозможно не улыбнуться

Cosmopolitan
Гора серебряная Гора серебряная

Как добывают благородные металлы

Популярная механика
4 правила и 3 продукта для чистой кожи 4 правила и 3 продукта для чистой кожи

Диетолог о секретах чистой кожи

Cosmopolitan
Долгая счастливая жизнь Долгая счастливая жизнь

Старение – это естественно, но не нормально

Популярная механика
Чешские антропологи реконструировали внешность двух женщин бронзового века Чешские антропологи реконструировали внешность двух женщин бронзового века

По останкам определили внешность и условия жизни женщин 6000 лет назад

N+1
Космические нейтрино высоких энергий рождаются квазарами Космические нейтрино высоких энергий рождаются квазарами

Каждую секунду Земле проходят более 60 миллиардов нейтрино

Наука и жизнь
Алина Фаркаш о том, почему можно и нужно менять свои принципы Алина Фаркаш о том, почему можно и нужно менять свои принципы

Не нужно бояться изменить свое мнение по тому или иному вопросу

Cosmopolitan
Чем грозит слабеющий гольфстрим? Чем грозит слабеющий гольфстрим?

Новые данные, уточняющие поведение Гольфстрима

Наука и жизнь
Роман с французом: я дала отношениям второй шанс и не ошиблась Роман с французом: я дала отношениям второй шанс и не ошиблась

Романтичная и волнующая история отношений на расстоянии

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
Трое, не считая собаки Трое, не считая собаки

У нас было два дня, один щенок и три яркие модели, знающие всё о путешествиях

Cosmopolitan
Занимательная физика Занимательная физика

Мечта всех родителей – обучающие игрушки

Популярная механика
«Я родилась, чтобы ломать стереотипы»: как Варвара Шмыкова много лет ждала свою роль и попала в список Forbes «Я родилась, чтобы ломать стереотипы»: как Варвара Шмыкова много лет ждала свою роль и попала в список Forbes

Актриса Варвара Шмыкова — почему ей важно быть примером для всех девочек

Forbes
Вооружение Вооружение

Вторая часть ответов на вопросы о вооружении стран времен Второй мировой войны

Дилетант
Советские фильмы о школе и школьниках: 7 интересных ностальгических картин Советские фильмы о школе и школьниках: 7 интересных ностальгических картин

Красные галстуки, полеты в космос и, конечно, первая любовь

Playboy
Дайсон против Дайсона Дайсон против Дайсона

Как работает сфера Дайсона

Наука и жизнь
Звезда в иллюминаторе: как выглядит Солнце с каждой из планет Солнечной системы Звезда в иллюминаторе: как выглядит Солнце с каждой из планет Солнечной системы

Похоже, мы, земляне, еще неплохо устроились

Вокруг света
Сила воли: что мешает нам добиваться цели Сила воли: что мешает нам добиваться цели

Проблема отсутствия силы воли – в образе жизни, который ее ослабляет

Psychologies
Физики обнаружили новый тип квазичастиц: основа для компьютеров будущего Физики обнаружили новый тип квазичастиц: основа для компьютеров будущего

Ученые из России экспериментально доказали существование нового типа квазичастиц

Популярная механика
Музыкальный слух и рациональные решения: как иностранные языки меняют нас к лучшему Музыкальный слух и рациональные решения: как иностранные языки меняют нас к лучшему

Изучение иностранного языка развивает мозг и помогает формировать новые навыки

Популярная механика
5 таинственных авиакатастроф XX века 5 таинственных авиакатастроф XX века

Аэрофобам и беременным женщинам этот материал читать не рекомендуется

Maxim
Скажи целлюлиту Скажи целлюлиту

Выбираем самые эффективные средства против целлюлита

Cosmopolitan
«Sister to sister. Бизнес-истории от Ирины Хакамады, Ирины Эльдархановой, Дарьи Петра и других удивительных женщин». Отрывок из книги «Sister to sister. Бизнес-истории от Ирины Хакамады, Ирины Эльдархановой, Дарьи Петра и других удивительных женщин». Отрывок из книги

Отрывок из книги «Sister to sister» — о секретах успеха рассказывает Дарья Петра

СНОБ
Разгадки природы Разгадки природы

Семь чудесных тайн природы, которые перестали быть тайнами

Maxim
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
Ну правда смешно! Лучшие российские комедийные сериалы Ну правда смешно! Лучшие российские комедийные сериалы

Лучшие российские комедийные сериалы последних лет

Cosmopolitan
Изучать непознанное: инопланетяне, йети, Атлантида, лох-несское чудовище Изучать непознанное: инопланетяне, йети, Атлантида, лох-несское чудовище

Йети, Атлантиду и инопланетян ищут не только чудаки в шапочках из фольги

Maxim
Археологи разобрались в технологии изготовления ксоанов из святилища богини Мефитис Археологи разобрались в технологии изготовления ксоанов из святилища богини Мефитис

В долине Ансанто нашли святилище богини вулканических паров Мефитис

N+1
Святослав Медведев Святослав Медведев

Ученый Святослав Медведев получил от Далай-ламы доступ в буддийские монастыри

Собака.ru
Открыть в приложении