Ученые создали систему, в которой в ходе химических превращений самостоятельно образуется эмульсия — смесь двух жидкостей разной плотности, которая напоминает капли масла в воде. Такая система может использоваться при создании новых биосинтетических материалов, применяемых в производстве пищевых продуктов и косметики, а также для доставки лекарств к различным органам. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Chem.
Динамика автокаталитического образования полиионных структур. Источник: Екатерина Скорб
В любой живой клетке происходят четыре основных процесса: биохимические реакции, хаотическое движение молекул, самосборка, то есть образование сложных структур из простых без влияния внешних сил, и разделение жидкой и масляной фазы. Совокупность этих явлений обеспечивает возможность приспособления, развития и способности к самовоспроизведению.
Сейчас растет интерес к получению синтетических материалов, образованных по принципам организации живой материи: например, биоразлагаемые полимеры создаются с использованием микроорганизмов или растительных компонентов. Такие биосинтетические материалы обладают рядом преимуществ перед традиционными: они более экологичны, биосовместимы и могут утилизироваться микроорганизмами. При синтезе подобных материалов ключевое значение имеют превращения, которые ускоряются за счет продуктов более ранних этапов той же реакции. В частности, таким образом происходят самосборка и разделение фаз между разными жидкостями, например водной и масляной фазами. Однако на практике запустить такие превращения оказывается довольно сложно, поэтому исследователи ищут молекулярные системы, которые бы обеспечили для этого оптимальные условия.
Ученые из Университета ИТМО (Санкт-Петербург) вместе с израильскими коллегами предложили каскад из шести химических реакций, приводящий к самосборке капель жидкости, напоминающих по строению живые клетки. За основу авторы взяли несколько азот- и серосодержащих органических соединений и поместили их в солевой раствор. Все этапы каскада поддерживались автокатализаторами, то есть веществами, образующимися в ходе реакции и ускоряющими ее следующие стадии.
Наблюдения за превращениями показали, что взаимодействие между веществами в начале протекало медленно, а затем быстро завершалось. Во время медленного старта сформировались высокозаряженные частицы и стабильная эмульсия — капли масляной жидкости, находящиеся в воде. После быстрого завершения образовался коацерват — соединение нескольких капель в одну большую. Более того, в таких крупных каплях со временем появлялись более мелкие, что говорит о возможности получать еще более сложные молекулярные системы, чем просто «масло в воде». Такой способ формирования капель на основе жидкостей разных фаз можно использовать для доставки лекарственных препаратов, когда действующее вещество заключается в условно «масляную» фазу и с помощью «водной» переносится к нужным тканям.
«В этом исследовании мы изучили реакции, которые ускоряются за счет образования собственных продуктов и позволяют концентрировать вещества в образованных структурах с длинными цепями. Такие процессы будут полезны для лучшего понимания происхождения жизни на Земле и проектирования систем доставки лекарств. Подобные самоорганизующиеся системы будут хороши, в частности, тем, что позволят транспортировать к пораженным клеткам не только один препарат, а даже сложные блоки веществ. В дальнейшем мы планируем продолжить исследование коацерватов в органических растворах», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Екатерина Скорб, доктор химических наук, директор научно-образовательного центра инфохимии Университета ИТМО.
Информация и фото предоставлены пресс-службой Российского научного фонда