– Тематика проекта, над которым мы работаем, связана с формированием промышленно значимых неорганических материалов в мягких, биосовместимых условиях. Мы пытаемся повторить процессы роста неорганических частей живого организма – костей, зубов, раковин. Что за вещества их образуют с точки зрения химика-неорганика? Это фосфат кальция у позвоночных и карбонат кальция у простейших и моллюсков. Именно из карбоната кальция состоят сформировавшиеся в древности из раковинок простейших организмов меловые донные отложения – всем знакомый мел, который используется в промышленности.
Как формируются неорганические части живого существа? К ответу на этот вопрос учёные вплотную подошли лишь тридцать лет назад, когда научились выделять из моллюсков и одноклеточных протеины. Выяснилось, что скелетная ткань, из которой состоят раковины моллюсков, активно выделяет протеин силлафин, который способен формировать карбонат кальция из растворённых в океанской воде солей и тканевой жидкости: ионы, соединяясь в нужной пропорции, образуют вещество, по твёрдости сопоставимое с неорганической материей. И оно по своим прочностным характеристикам превосходит любой материал на основе карбоната кальция, полученный в лабораторных условиях. Так же обстоит дело и с фосфатом кальция, из которого состоят все кости и зубы высших (позвоночных) животных.
Секрет в том, что мало просто получить минерал – нужно, чтобы он состоял из кристаллов определённого размера, расположенных в определённом порядке, в соответствии с иерархией. Неслучайно в химии материалов существует целый раздел «Получение иерархически организованных материалов». Именно иерархическая организация на субмикроуровне не только придаёт веществу нужные прочностные характеристики, но и даёт возможность получать на его основе каталитические, сорбционные и фотокаталитические материалы. Это происходит просто за счёт того, что присутствующие в организме биоминерализующие белки способны формировать кристаллиты – крошечные, микроскопического размера кристаллики.
Кстати, костная ткань – это, по сути, большое скопление таких кристалликов, упакованных специальным образом, что обеспечивает костям эластичность, прочность и отсутствие хрупкости. Интересно, что фосфат кальция, из которого состоят кости людей и животных, по характеристикам превосходит полученный в лаборатории.
Главная задача, которую ставят перед собой учёные, – воспроизвести в пробирке процессы, происходящие в живом организме, и получить состоящие из упакованных специальным образом микрокристаллов неорганические вещества, чтобы затем на их основе создавать обладающие высокими прочностными или иными функциональными характеристиками материалы.
Зачем это нужно?
– Изначально мы поставили задачу сформировать каталитический материал, который бы мог найти применение в химической промышленности, – говорит учёный. – Известно, что все материалы для солнечных батарей, а также катализаторы, используемые для производства химического сырья, пластмасс, сформированы на основе неорганических веществ со строгой структурой, упорядоченной на субмикроуровне. Одно дело – получить красивый гладкий кристалл, какие можно увидеть, например, в витринах геологических музеев, и совсем другое – проконтролировать рост кристаллика с гранями в несколько нанометров. Это как раз то, чем занимается научно-образовательный центр «Нанотехнологии» ЮУрГУ и нанотехнология во всём мире. В природе эти кристаллики формируются рутинным образом, без применения токсичных реагентов, сложной аппаратуры, в биосовместимых условиях живого организма. А исследователи пытаются изготовить такие же, применяя огромные, громоздкие лабораторные экспериментальные установки. Получив же несколько сотен миллиграммов вещества, которые организм спокойно, без особых усилий вырабатывает за считанные дни, учёные на весь мир трубят об успехе. Контроль субмикросвойств неорганических соединений – это нетривиальная задача, решив которую, химики получат инструмент для производства и контроля жизненно важных и промышленно значимых материалов – в том числе каталитических.
Где это может использоваться?
Нанокристаллические неорганические материалы – основа полупроводниковой промышленности. Все полупроводники, которые в настоящее время пытаются получать и контролировать и которые применяются в резисторах и тиристорах, все материалы для солнечных батарей, каталитические материалы для основного органического синтеза – стирол, пропан, пропен, все пластики, вся нефтехимическая промышленность, то есть химия высокого передела – это катализ на неорганических материалах, структурированных особым образом. И научиться контролировать их свойства на субмикроуровне – основная задача нанотехнологий.
На предыдущем этапе развития нанотехнологий задействовались методики прошлого и позапрошлого веков: субмикропараметры материалов пытались контролировать макрометодами – меняя температуру, давление, скорость перемешивания и добавления реагентов. Образно говоря, это всё равно, что пытаться есть лапшу вместо вилки ковшом экскаватора. Группы исследователей, которым это удаётся, известны во всём мире, результаты их трудов публикуются в высокорейтинговых научных журналах, их работа – это искусство. В то же время протеины в живых организмах контролируют эти же самые параметры довольно легко – с помощью других протеинов, веществ, присутствующих в организме в избытке и выполняющих соответствующие функции.
Формированием именно такого вот аналога естественного вещества, который был бы способен контролировать субмикросвойства органических материалов так же, как это происходит в природе, и занимаются учёные ЮУрГУ.
Инструменты науки
– Протеины, отвечающие за формирование микрокристаллов, состоят из многих тысяч атомов углерода, азота, водорода, – продолжает Олег Игоревич. – Чтобы упростить задачу анализа, протеины начали дробить на части с помощью фермента трипсина – аналогичные процессы происходят в желудке, когда организм усваивает, к примеру, мясо. В ходе исследований учёные узнали, что за формирование неорганических кристалликов отвечают лишь несколько частичек протеина, а значит, нет нужды синтезировать всю огромную молекулу – можно обойтись короткой цепочкой, которую и необходимо задействовать для контроля нужных свойств целевого неорганического вещества. Получив такие короткие цепочки, их поместили в растворы тканевой жидкости животных. И оказалось, что этими фрагментами можно ограничиться, так как именно они вызывают образование неорганических веществ. При внимательном рассмотрении выяснилось, что эти фрагменты содержат очень много основных аминокислот, таких как лизин, аргинин, гистидин.
Наука следует за природой
– Наша задача – воспроизвести то, что делает природа, исходя из предположения, что искомый синтетический фрагмент, полученный в лаборатории, должен содержать большее количество вышеназванных основных аминокислот, чем выделенный из живых организмов, – объясняет исследователь. – Из первого предположения вытекает второе: данная молекула в растворе обладает положительным зарядом не менее трёх. Третье предположение – это вещество обладает сорбирующими свойствами к формируемой фазе. То есть если у нас формируется фосфат кальция, то вещество, которое его осаждает, очень хорошо на нём сорбируется. Эти три предположения, основанные на знаниях о подобных природных фрагментах, складываются в гипотезу о желаемом синтетическом фрагменте, исходя из которой мы и хотим его синтезировать.
Как это делается?
Как пояснил Олег Игоревич, учёные ещё 60 лет назад отработали и автоматизировали так называемый твёрдофазный пептидный синтез. Этот процесс применяется для получения биологически активных веществ, в том числе лекарств. Как известно, все основные составные компоненты живого – это жиры, углеводы и белки; последние, в свою очередь, состоят из двадцати аминокислот. Из этих двух десятков химики научились в автоматическом и ручном режиме составлять различные комбинации, счёт которым идёт на триллионы. Но исследователи ЮУрГУ исходят из трёх вышеназванных условий, что значительно сужает диапазон пептидов, которые можно получить из двадцати аминокислот.
Учёными накоплено огромное количество материала, что позволяет статистическими (квантово-химическими) методами формировать модели свойств веществ. Можно по одной лишь структуре вещества предсказать, будет ли оно, например, протагонистом, станет ли блокировать какой-либо фермент, окажется ли ядовитым для каких-либо бактерий. Изучив большой массив данных, можно отследить закономерности, из которых, в свою очередь, рождаются знания. Это классический индуктивный подход.
– Сейчас мы формируем знания о сорбции аминокислот и аминокислот-содержащих компонентов, – говорит О.И. Большаков. – И на основе этих знаний можем делать предположения о свойствах более длинных соединений. Не обязательно синтезировать большую химическую цепочку, достаточно иметь знания о сорбции маленьких фрагментов – и можно выдвинуть гипотезу, что более длинная цепочка, содержащая тот же самый фрагмент аминокислот, будет иметь схожие свойства.
Группа Олега Игоревича Большакова занимается формированием модели сорбции аминокислот-содержащих веществ на основе оксида титана – промышленно значимого вещества. Оксид титана, как известно, используется при создании катализаторов. С этой темой работает директор научно-образовательного центра «Нанотехнологии» Вячеслав Викторович Авдин. Оксид титана используется и как основа катализаторов в солнечной энергетике. Контролировать его свойства с помощью аминокислот-содержащих молекул – актуальная проблема для науки о материалах. В группу О.И. Большакова входят инженер кафедры экологии и химической технологии Сергей Владимирович Мерзлов, студент химического факультета Артём Щёлоков, магистрант Роман Морозов. Тему предложил Олег Игоревич – он занимается пептидами уже пять лет. Группе помогают специалисты в области оксида титана Вячеслав Викторович Авдин и Игорь Владимирович Кривцов. Олег Игоревич Большаков выиграл грант Российского фонда фундаментальных исследований, что стало большим подспорьем в работе.
Сейчас учёные находятся на начальном этапе исследований. Разумеется, идёт активное сотрудничество с российскими и зарубежными коллегами, в том числе из Национального исследовательского центра эпидемиологии и микробиологии имени Н.Ф. Гамалеи Министерства здравоохранения РФ и с Болгарской Академией Наук, по вопросам синтеза и характеристик пептидов. Конечная цель разработок – создание новых материалов, которые могут найти применение в медицине (например, при восстановлении костных тканей), в химии.
По данной проблематике Артём Щёлоков и Роман Морозов пишут выпускные квалификационные работы, Артём планирует поступить в магистратуру, а Роман – в аспирантуру. Олег Игоревич Большаков работает над докторской диссертацией.