Наука завтрашнего дня

Известный далеко за пределами страны Ивановский институт химии растворов им. Г.А. Крестова РАН делает ставку на молодых ученых. Их уникальные разработки открывают богатые перспективы развития и применения на практике совершенно новых для человечества продуктов.

 «Наши молодые сотрудники занимаются уникальными разработками, которые открывают богатые перспективы развития и применения на практике совершенно новых для человечества продуктов. Их проекты оценили на уровне президента. 2020-й стал урожайным годом на получение президентских грантов. У нас их сразу 4», - уточняет директор Института химии растворов им. Г.А. Крестова Российской академии наук Михаил Киселёв.

ДЛЯ БЛАГА И ЗДОРОВЬЯ ЛЮДЕЙ

Илья Ходов - старший научный сотрудник Института химии растворов - рассказывает о проекте, над которым работает вместе с коллегами.

«Цель нашего проекта - установить особенности взаимодействия нестероидных противовоспалительных препаратов ряда фенаматов (например, толфенамовой и мефенамовой кислот) с липидной мембраной для понимания их возможных механизмов действия на организм», - говорит он.

Дело в том, что при создании новых и модификации имеющихся на рынке лекарственных соединений необходимо фундаментальное понимание действия этих лекарств на молекулярном уровне.

Введение на рынок лекарственных соединений нового препарата зачастую весьма проблематично, потому что необходим ряд биохимических, токсикологических, а также клинических испытаний, прежде чем лекарство попадёт на прилавок.

«В этом плане весьма перспективны именно лекарственные соединения, которые уже введены на рынок или которые были удалены из российского реестра лекарственных препаратов, например, из ряда фенаматов, так как по состоянию на 2012 год регистрация препаратов данного типа в России аннулирована», - рассказывает Илья Анатольевич.

Тот факт, что эти препараты были использованы на рынке, делают их перспективными соединениями для исследования с целью их дальнейшей модификации.

Возможные пути модификации таких лекарственных соединений, чтобы вернуть их на рынок с лучшими фармакологическими свойствами, по словам учёного, весьма заманчивы. Однако необходимо понимание особенностей их взаимодействия с биологической мембраной. Именно этот момент будет реализован при выполнении проекта Ильи Ходова и его коллег. «При помощи спектроскопии ядерного магнитного резонанса мы исследуем взаимодействия препаратов из ряда фенаматов с липидной мембраной на молекулярном уровне. По сути, спектроскопия ЯМР представляет собой микротомограф, который позволяет увидеть положение молекулы лекарства в мембране», - отмечает Илья Ходов.

Кроме того, полученные при выполнении проекта результаты помогут пролить свет на возможные пути перепрофилирования лекарственных препаратов для лечения других заболеваний. «Например, фенаматы обладают способностью как потенцировать, так и блокировать работу ГАМКА-рецепторов, что делает этот ряд соединений весьма перспективным для применения их в качестве противосудорожных препаратов. Дополнительно, в перспективе, лекарственные соединения из ряда фенаматов будут исследованы при сверхкритических параметрах состояния для выявления особенностей их конформационного поведения», - говорит учёный.

ИОННЫЕ ЖИДКОСТИ - МАТЕРИАЛЫ НОВОГО ВРЕМЕНИ

Юрий Будков, доктор физико-математических наук, заведующий лабораторией 1-8 «Структуры и динамики молекулярных и ион-молекулярных растворов», рассказал о своём проекте.

«Основа моей научной деятельности - в том, чтобы разрабатывать теоретические модели, основанные на принципах статистической физики, различного рода молекулярных жидкостей, а также комбинировать эти модели с современными подходами компьютерного моделирования молекулярных систем. Одно из последних направлений, в котором я активно работаю, - это теория и моделирование ионных систем, то есть систем, содержащих заряженные частицы - ионы. Это прежде всего растворы электролитов и достаточно модные сейчас с точки зрения приложений ионные жидкости».

Ионные жидкости - это органические соли, которые при нормальных условиях находятся в жидком состоянии, объясняет Юрий Будков: «Например, самая известная в быту соль - хлорид натрия - при нормальных условиях находится в твёрдом кристаллическом состоянии. В конце прошлого века были синтезированы соли, которые при нормальных условиях являются жидкими. Эти ионные жидкости оказались очень востребованными для приложений. Прежде всего это замечательные абсорбенты малых молекул, они поглощают воду, углекислый газ и любые другие малые молекулы, будучи при этом абсолютно нетоксичными».

По словам учёного, отсутствие токсичности из-за чрезвычайно малого давления насыщенного пара делает ионные жидкости замечательными веществами для использования в современной «зелёной» химии. Второе важнейшее применение ионных жидкостей лежит в области электрохимии химических источников тока и суперконденсаторов.

«По существу, ионная жидкость представляет собой совокупность плотно упакованных и хаотично расположенных заряженных частиц - ионов, - продолжает Юрий Будков.- Огромная концентрация заряженных частиц позволяет накапливать большую электрическую энергию уже при достаточно малых приложенных потенциалах. Это отличает ионные жидкости от классических растворов электролитов, где ионы разделены друг от друга молекулами растворителя. Важно также отметить, что ионные жидкости являются стабильными в гораздо более широких диапазонах приложенных

напряжений, чем классические растворы электролитов. Устройства для накопления большой электрической энергии с применением ионных жидкостей в качестве рабочего тела получили название суперконденсаторы. В аккумуляторах, без которых мы уже не представляем свою жизнь, ионные жидкости тоже нашли своё применение».

Проект Юрия Будкова направлен на то, чтобы теоретически описывать поведение ионных жидкостей, заключённых в электрически заряженные нано-размерные поры электрода. «Объясню: свойство ионной жидкости, помещённой в наноразмерную заряженную пору, должно принципиально отличаться от ионной жидкости, которую мы наливаем в пробирку, - говорит учёный. - Изучение свойства жидкости в этих порах очень важно для вышеуказанных электрохимических приложений. Прежде всего нужно понять, как размер поры будет влиять на возможность накопления энергии при подаче электрического напряжения».

С другой стороны, специалисты знают, что в жидкостях, заключённых в нанопоры имеют место капиллярные эффекты. «Необходимо выяснить, как будет вести себя расклинивающее давление, действующее на пору с ионной жидкостью, чтобы понять, какие механические нагрузки будет испытывать электрод в процессе его эксплуатации, - объясняет Юрий Будков. - С одной стороны, решение этой чисто теоретической задачи прольет свет на поведение ионных жидкостей в условиях ограниченной геометрии, что представляет чисто фундаментальный интерес. С другой стороны - из этого проекта будут вытекать рекомендации для технологов и инженеров, проектирующих химические источники тока и суперконденсаторы с пористыми электродами. В этом и польза, и красота проекта».

По мнению учёного, важно ещё и то, что проект является междисциплинарным: для его реализации необходимо использовать широкий арсенал современных теоретических методов статистической физики, методов молекулярно-динамического моделирования и методов квантовой химии. «Вообще, сейчас от нас как от учёных требуют решения, в большей степени, задач, которые имеют реальную практическую пользу. Так что, безусловно, проект отвечает духу времени, в котором мы живём», - заключает Юрий Будков.

ФЛУОРЕСЦЕНЦИЯ НА СЛУЖБЕ У ЧЕЛОВЕЧЕСТВА

Кандидат химических наук Александр Ксенофонтов, - младший научный сотрудник Института химии растворов. Тема его научного исследования -«Разработка новых флуоресцентных зондов гидрофобных областей глобулярных белков на основе структурно-модифицированных бор(III) дипиррометенатов (BODIPY)».

Учёный рассказал, что проект поможет решить современную проблему химии - разработку эффективных и простых в использовании зондов гидрофобных областей белков. Проблема актуальна, потому что исследование структуры гидрофобных областей белков - ключ к пониманию возникновения многих тяжёлых заболеваний, в том числе нейродегенеративных (болезнь Альцгеймера, Паркинсона, Пика и т.д.). Сейчас самое перспективное направление решения этой проблемы - создать флуоресцентные маркеры с высоким сродством к определённым гидрофобным зонам белка.

«Грант, который мы получили, рассчитан на два года, 2021-2022-й. Работа над ним - сочетание набора современных экспериментальных и компьютерных методов. Исследование спектральных характеристик, особенно флуоресцентных, помогает судить о возможности связывания разрабатываемых флуоресцентных зондов с белками, а также получить информацию о строении белка, выявить изменения в его структуре или точечные мутации. А «заглянуть» внутрь этого процесса позволит один из методов компьютерного моделирования - молекулярный докинг», - рассказывает учёный.

Ожидания от проекта большие.

«Сейчас нам удалось успешно апробировать флуоресцентный зонд на основе BODIPY для селективного качественного и количественного детектирования транспортных белков в образцах мочи человека. Полученные результаты указывают на потенциальную возможность использования флуоресцентных сенсоров в клинической медицине для ранней диагностики микроальбуминурии и сопутствующих заболеваний, а также перспективность их применения для визуализации белков коронавируса SARS-CoV-2 при их исследовании и создании лекарственных средств», - говорит Александр Ксенофонтов.

НУЖНЫЕ ПОРФИРИНЫ

Для обывателя тема гранта научного сотрудника Института химии растворов, кандидата химических наук Алексея Киселёва звучит довольно витиевато и сложно - «Синтез и исследование новых порфиринов и их аналогов для сенсибилизации фотовольтаических преобразователей на основе наноструктурированного диоксида титана». Хотя на деле всё проще. Дадим слово автору проекта:

«Порфирины - это макрогетероциклические соединения, обладающие высокой ароматичностью. Они координируют атомы различных металлов и обладают высокой стабильностью. Возможность разнообразной химической модификации этих макроциклов по периферии и по координационному центру с образованием сверхпрочных комплексов металлов выдвигает их в разряд первоклассных препаратов для фотодинамической терапии рака, электро- и фотокатализаторов восстановления и

окисления, преобразователей световой энергии, материалов, обладающих нелинейными оптическими свойствами, органических полупроводников и жидких кристаллов».

По словам Алексея Киселёва, порфиринами являются два природных биологически активных соединения - хлорофилл и гем, которые определяет возможность существования и развития жизни многих живых существ: «Хлорофилл обуславливает зелёный цвет растений, цианобактерий. Гем входит в состав белка гемоглобина и обуславливает красную окраску эритроцитов. Порфирины обнаружены в выделениях животных, оперении птиц, скорлупе яиц, раковинах моллюсков, нефтях, битумах и даже в метеоритах».

Чтобы получить новые органические материалы, крайне важны разработка и улучшение синтетических методов - например, переход к иным способам получения, исключающим какие-то операции, стадии. Мировой тренд - «зелёная химия» и «атомэкономичность». Если экологи пытаются обезвредить последствия, создаваемые химической промышленностью, то задача «зелёной химии» - обеспечить производства, в которых такие последствия вообще отсутствуют. «Атомэкономичность» же подразумевает «превращение» всех атомов исходной молекулы или молекул в полезный продукт, словно вы сделали табуретку, не оставив опилок.

На основе порфиринов возможно создание полезных материалов, но их нужно модифицировать, к примеру, просульфировать, чтобы придать растворимость в воде. Сейчас в химии порфиринов намечается постепенный переход от классических реакций кросс-сочетания, требующих предварительного введения функциональных групп в молекулы субстратов с помощью реакций галогенирования, металлирования, к С-Н-функционализации.

Термин «кросс-сочетание» станет понятнее, если представить себя едущим в вагоне метро Москвы по Калужско-Рижской линии до станции «Китай-город». Сойдя на ней и перейдя на другую сторону той же платформы, вы можете попасть на Таганско-Краснопресненскую линию метро. Так и исходные молекулы кружатся по двум каталитическим циклам, которые при пересечении дают молекулы продукта.

С-Н-функционализация же открывает большие перспективы в органическом синтезе, поскольку позволяет избежать необходимости использовать дорогостоящие и экологически небезопасные реактивы для предварительного введения функциональных групп в органические субстраты. Это довольно сильно упрощает синтетический путь, а подобная модификация применима для молекул, относящихся к различным классам органических соединений. Уже в настоящее время реакции С-Н-функционализации используются для синтеза некоторых аналогов природных соединений, фармацевтических препаратов.

«Если вообразить себя боксёром на матче, то можно визуализировать С-Н-функционализацию, - рассказывает Алексей Киселёв. - Если вы долго и уверенно молотите своего оппонента, но он ещё на ногах, то это многостадийный процесс, в котором много раундов (стадий). В конце концов, вы всё же придёте к победе (конечному продукту). А если представить, что вы сразу с одного удара отправили его в нокаут без особых мучений?»

Собственно, проект Киселёва и его коллег имеет две цели. Во-первых, это получение новых порфиринов и родственных им соединений с помощью палладий- и кобальт-катализируемой С-Н-функционализации. Во-вторых - подбор необходимых условий для проведения анодного окисления титана с использованием синтезированных соединений. Установление зависимости «структура-свойство», которое позволит выявить ряд потенциально полезных соединений при изготовлении фотоактивных оксидных слоёв для фотовольтаических преобразователей энергии.

Перспективное направление в области создания новых функциональных материалов - исследование пористых наноструктурированных оксидов переходных металлов, среди которых особый интерес представляет диоксид титана. Это обусловлено его функциональнымих свойствами: смачиваемостью, биологической совместимостью (не зря же существуют протезы на основе титана), сенсорными и оптическими свойствами, фотокаталитической активностью. Такие свойства, по словам учёного, позволяют использовать наноструктурированный диоксид титана в качестве электродного материала газоселективных и каталитически активных мембран, фотокатализаторов окислительных процессов, фотоэлектрических преобразователей.

Один из методов получения материала - анодное оксидирование, с помощью которого на поверхности металлического титана можно сформировать слой диоксида титана. Анодное оксидирование, или анодирование, можно представить как надевание на себя одежды (оксидный слой), когда вы собрались на морозную прогулку. Чем холоднее, тем больше одежды и тем толще оксидный слой.

Образование нанопористых плёнок диоксида титана, обладающих высокой фотоактивностью, позволяет найти им применение в создании новых источников электрической энергии, материалов для органической электроники. Один из методов повышения фотоактивности таких плёнок - их сенсибилизация органическими красителями.

Наиболее перспективные в этом плане органические красители - макрогетероциклические соединения. Таким образом, синтезированные соединения позволят получить новые фотовольтаические устройства, то есть такие устройства, которые будут поглощать солнечное излучение, вырабатывая электроэнергию».

***

Молодые учёные Института химии растворов работают с полной отдачей: для этого есть все условия и поддержка российских научных фондов. Их исследования востребованы. А результаты непременно найдут своё применение не только в науке, но и в прикладных областях, где сейчас активно применяют химию.