Sponsorul concursului este compania Life Technologies. Sponsor al premiului de simpatie publica - compania Helicon.
Mingi pentru nano-fotbalisti
Fullerenes - aceasta este o clasă destul de neobișnuită de molecule, reprezentând una dintre formele de existență a carbonului (așa-numitele modificări alotropice). diamant și grafit bine-cunoscut - nu este pur și simplu diferitele forme alotropice ale carbonului, cu toate acestea, structura de diamant de atomi de carbon în tetraedrele sunt asamblate, grafit este format din straturi plane hexagoane formate, bine fullerene este o moleculă sferică, cu o suprafață închisă. Cel mai simplu Fulerena cuprinde 60 atomi de carbon și în mod surprinzător seamănă cu mingea de fotbal în structura sa: suprafața sa este formată prin pentagoane și hexagoane alternativ, iar dimensiunea „mingea“ este de numai 1 nm (nanometri).
Figura 1. Molecule de fullerene este foarte asemanatoare cu o minge de fotbal, doar un jucator de dimensiuni nanoscopice poate inscrie doar goluri.
Descoperirea fullerene - un exemplu viu al puterii predictive a științei: în '70 ai secolului XX au fost făcute calcule cuantice chimice teoretice pentru a prezice existența unor astfel de molecule, dar numai în 1985 au fost descoperite mai întâi în studiul de vapori de grafit după iradiere cu laser [1 ]. Mai târziu, fullerenele s-au găsit și în mineralele naturale - o piatră ca și șungitul este singură aici [2]. Și recent a devenit clar că aceste "bile" de carbon se găsesc chiar și în nebuloasele cosmice [3].
Fizicienii și chimistii au descoperit numeroase aplicații pentru fullerenuri: ele sunt utilizate în sinteza noilor compuși în optică și în fabricarea conductorilor. Proprietățile biologice ale fullerenelor pentru o perioadă lungă de timp au primit date ambigue: biologii i-au declarat apoi toxici [4]. apoi au fost găsite proprietățile antioxidante ale fullerenelor și a sugerat utilizarea acestora în tratamentul unor astfel de boli grave, cum ar fi astmul bronșic [5].
Rat-centenari
Aceste substanțe lipofile sunt molecule încărcate pozitiv cu atașat antioxidant „coadă“, care datorită structurii sale se poate acumula în mitocondrii (în aceste organite în celule eucariote conduce la generarea de specii reactive de oxigen). Cu toate acestea, compușii din seria SkQ au prelungit durata de viață a șoarecilor experimentali cu o medie de numai 30%.
Figura 2. Stânga este un șoarece, a cărui îmbătrânire este încetinită de recepția "ionilor Skulachev", în dreapta este un șoarece din grupul de control [11].
De ce sunt atât de eficiente fullerenele în combaterea îmbătrânirii?
După ce am pus această întrebare, am început să luăm în considerare posibilitatea existenței unui mecanism suplimentar al efectului biologic al fullerenelor - în plus față de antioxidantul deja cunoscut. Vârful a fost găsit când s-a studiat unul dintre compușii seriei SkQ-SkQR1 conținând restul de rodamină. Acest compus aparține grupului de protonofori - molecule capabile să transfere protoni din spațiul intermetalic prin membrană la matricea mitocondrială, reducând astfel potențialul transmembranar (Δψ). După cum știți, acest potențial, care există datorită diferenței în conținutul de protoni de pe diferitele părți ale membranei, asigură generarea de energie în celulă. Cu toate acestea, este și sursa generării ROS. De fapt, formele active de oxigen sunt asemănătoare cu "deșeurile toxice" în producerea de energie. Deși au o serie de funcții utile [12]. în special ROS - o sursă de deteriorare a ADN-ului, a lipidelor și a multor structuri intracelulare.
Figura 3. Diagrama mitochondrion (stânga) transferul de protoni acizi organici - „eliberatori moi“ (centru) - și dinitrofenol - cele mai renumite „eliberatori“ (dreapta).
Există dovezi că o ușoară scădere a potențialului transmembranar mitocondrial poate fi utilă pentru celule [13]. Reducerea acestuia cu doar 10% duce la o scădere a producției AFC cu un factor de 10 [14]. Există așa-numitele "decuple moi", care măresc conductivitatea protonului membranelor, rezultând o "separare" a respirației și fosforilării ATP [15].
Poate că cel mai faimos "decuplat" este DNF sau 2,4-dinitrofenol (Figura 3). În cei 30 de ani ai secolului al XX-lea, ei au fost foarte folosiți în tratamentul obezității. De fapt, dinitrofenolul este primul "arzător de grăsime" folosit în medicina oficială. Sub acțiunea sa, celula trece la o cale alternativă a metabolismului, declanșând "arderea" grăsimilor, iar energia primită de celulă nu este stocată în ATP ca de obicei, ci radiată sub formă de căldură.
Găsirea modalităților ușoare de a pierde în greutate va fi întotdeauna relevantă, în timp ce reprezentanții Homo Sapiens se vor îngrijora de apariția lor; totuși, pentru studiul nostru, este mai interesant faptul că astfel de "decuplatoare moi" reduc producția de ROS și în doze mici pot promova prelungirea vieții [16].
Se ridică întrebarea: Pot fullerenele, pe lângă proprietățile antioxidante, să prezinte, de asemenea, proprietățile vectorilor de transfer de protoni, acționând astfel pe două laturi simultan? La urma urmei, molecula sferică fullerenă este goală din interior, ceea ce înseamnă că particule mici, cum ar fi protoni, se pot încadra în ea.
Modelarea în silico. ce au făcut fizicienii
Pentru a testa această ipoteză, colectivul SEC "Nanoscale structure of matter" a efectuat calcule complexe. Ca și în istoria cu descoperirea fullerenului, în studiul nostru simularea computerizată a precedat experimentele. Modelarea posibilității de penetrare a protonului în fulleren și distribuția încărcării într-un astfel de sistem a fost făcută pe baza teoriei funcționale a densității (DFT). Acesta este un instrument utilizat pe scară largă pentru calcule chimice cuantice, ceea ce face posibilă calcularea proprietăților moleculelor cu o precizie ridicată.
În simulare, unul sau mai mulți protoni plasat în afara Fulerena, și apoi utilizate pentru calcularea configurației optime - una în care va fi energia totală minimă. Rezultatele calculelor au arătat că protonii pot pătrunde în fulleren! Sa dovedit în interiorul moleculei C60 pot fi stocate până la șase protoni în același timp, dar a șaptea și mai târziu, nu va fi capabil de a obține în interiorul și să fie respins - faptul că „încărcat“ protoni Fulerena dobândește o sarcină pozitivă (și, după cum știm, cum ar fi taxele resping reciproc) .
Figura 4. Distribuția sarcinii pozitive în sistemul "fulleren + proton". Stânga spre dreapta: două, patru sau șase protoni în interiorul fullerenului. Culoarea indică distribuția încărcării: de la neutru (roșu) la slab pozitiv (albastru).
Acest lucru se datorează faptului că protonii care penetrează în "balonul" fullerenului își trag nori atomi de atomi de carbon, ceea ce duce la redistribuirea sarcinii în sistemul "protoni + fulleren". Cu cât mai mulți protoni penetrează interiorul, cu atât mai mare este încărcătura pozitivă pe suprafața fullerenului, în timp ce protonii, dimpotrivă, se apropie tot mai mult de valorile neutre. Acest model poate fi văzut și în Figura 4: atunci când numărul de protoni din interiorul sferei depășește 4, ele devin neutre (culoare galben-portocalie), dar suprafața fullerenului devine mai puternică "albastră".
Inițial, calculele au fost efectuate numai în sistemul "fulleren + proton" (fără a lua în considerare influența altor molecule). Dar în celulă fullerenul nu este în vid, ci într-un mediu acvatic plin de o mulțime de compuși cu diferite grade de complexitate. Prin urmare, în următoarea etapă de modelare, fizicienii au adăugat 47 de molecule de apă în jurul fullerenului și au verificat dacă prezența lor în interacțiunea cu protonii le-ar afecta. Cu toate acestea, în prezența apei modelul a acționat cu succes.
Biologii confirmă ipoteza?
Pentru a studia proprietățile antioxidante ale fullerenelor, am folosit un sistem de teste rapide pe baza biosenzorilor bioluminescenți bacterieni. Biosenzorilor în acest caz - bacteriile modificate genetic capabile de creștere și ROS capcană „semnal“ generație intracelular al acestor cercetători. La crearea biosenzori in GENOM unul dintre tulpini inofensive de Escherichia coli Escherichia coli este introdusă construcție artificială constând din gene luminescență (luminescență) furnizate sub controlul promotorilor specifici - elemente de reglementare, „inclusiv“, atunci când creșterea generației intracelulare de specii reactive de oxigen, sau prin acțiunea altor factori de stres - de exemplu, cu daune ADN. Acesta ar trebui să înceapă să acționeze în cușcă, astfel încât factorul de stres - bacteria începe să strălucească, iar nivelul de luminiscenta este posibilă cu o precizie suficientă pentru a determina nivelul de deteriorare.
Figura 5. Bacteriile strălucitoare pe vasul Petri (stânga) și principiul acțiunii biosenzorilor (dreapta).
Astfel de tulpini modificate sunt dezvoltate la Institutul de Cercetări de Stat de Genetică [19] și sunt utilizate pe scară largă în toxicologia genetică [20] atunci când studiază mecanismele de acțiune ale radiațiilor și stresului oxidativ [21]. acțiunea antioxidanților (în special SkQ1 [22]), precum și căutarea de noi antioxidanți promițători în rândul substanțelor chimice sintetizate de chimisti [23].
În cazul nostru, este utilizarea unui model bacterian din cauza următoarele: bacterii sunt cunoscute ca aparținând procariote, iar celulele lor sunt mai simple decât eucariotă. Procesele care au loc în membrana mitocondriilor de eucariote în prokaryotes sunt realizate direct în membrana celulară; în acest sens, bacteriile sunt "mitocondriile". (Similitudinea surprinzătoare a structurii acestor bacterii organite servit chiar în momentul în care baza pentru așa-numita teorie simbiotică a originii eucariotelor [24].) Prin urmare, pentru studiul proceselor care au loc în mitocondriile, acest model este foarte potrivit.
Primele rezultate au arătat că suspensia apoasă de fulleren C60. pentru o dizolvare mai eficientă, tratamentul cu ultrasunete, adăugat la cultura biosenzorilor, a crescut rezistența lor la deteriorarea ADN-ului prin forme active de oxigen. Nivelul acestor daune în experiment a fost cu 50-60% mai mic decât în control.
În plus, s-a înregistrat o scădere a nivelului producției spontane de radical de anion superoxid în celulele tulpini SoxS-lux prin adăugarea de suspensie C60. Particularitatea acestei tulpini este tocmai relația dintre nivelul său de luminiscență și cantitatea de radical de anion superoxid. Acesta este efectul pe care îl așteptăm de la un compus care acționează pe principiul "decuplatoarelor moi" - dacă potențialul transmembranar scade, atunci ROS (în special, superoxidul) va fi produs în cantități mai mici.
Rezultatele sunt, desigur, foarte preliminare, iar lucrarea este în curs de desfășurare, motiv pentru care semnul întrebării se află în subcapitolul acestei secțiuni. Timpul va spune dacă putem înlocui eventual cu o exclamație sigură. Un lucru este clar: în viitorul apropiat, fullerenele vor fi în mod inevitabil în atenția echipelor științifice care studiază problemele legate de îmbătrânire și de căutare a geroprotectorilor - substanțe care încetinesc îmbătrânirea. Și cine știe, aceste mici "bile" nu vor deveni o speranță pentru extinderea unei astfel de vieți umane atât de scurte?
Lucrarea a fost realizată în laboratorul de mutageneză experimentală și laboratorul de microorganisme industriale al Institutului de Cercetări Biologice din SFedU, precum și în REC "Structura nanosimelor materiei", SFedU, sub îndrumarea prof. AV Soldatov. Principalele rezultate ale simulării sistemului "fulleren + proton" și a efectelor biologice sunt descrise, respectiv, în lucrări:
literatură
Ați putea fi, de asemenea, interesat
Trimiteți-le prietenilor: