Гибкий конструктор: что такое супрамолекулярная химия и как она меняет агрономию и медицину

Супрамолекулярная химия — одно из самых молодых и бурно развивающихся научных направлений. В отличие от классической химии, здесь исследуют не отдельные молекулы, а более сложные системы, так называемые молекулярные ансамбли. Практических разработок в этой области пока немного, до реального применения доходят единицы. Одним из таких примеров стал препарат для сельского хозяйства, разработанный командой ученых Химического института им. А. М. Бутлерова Казанского (Приволжского) федерального университета (КФУ) под руководством ведущего научного сотрудника, кандидата химических наук Анастасии Назаровой.




Автор проекта рассказала порталу Наука.рф об особенностях этой разработки и о том, как технологии на основе супрамолекулярной химии могут изменить аграрную промышленность и медицину.

— Анастасия, как вы пришли в науку? Почему выбрали органическую химию?

 — Интерес к химии у меня появился еще в школе, благодаря учительнице Хабибуллиной Альфии Блигвардовне. Меня увлекали все естественные науки: физика, химия, биология. Мне было интересно изучать, как устроены молекулы и как одни соединения можно превращать в другие.
Я поступила в химический институт КФУ, а на третьем курсе попала в группу своего нынешнего научного руководителя Стойкова Ивана Ивановича.

Особенно интересной для меня оказалась супрамолекулярная химия. Она позволяет не только синтезировать новые молекулы, но и управлять их свойствами. Основоположник этого направления — французский ученый Жан-Мари Лен, получивший в 1987 году Нобелевскую премию по химии за открытия в этой области.

— Расскажите подробнее об этой научной области. Как устроены супрамолекулярные системы?

 — Если объяснять простыми словами, то можно сравнить супрамолекулярные системы с конструктором. В классической химии обычные молекулы соединяются посредством прочных ковалентных связей, которые возникают в результате образования общих электронных пар между атомами.

В супрамолекулярной химии молекулы соединяются благодаря более слабым взаимодействиям, например, под действием водородных связей, электростатических или гидрофобных взаимодействий. На лекциях нам приводили такую аналогию: представьте ключ и замок. По отдельности это просто две детали, но когда они объединяются, получается единая рабочая система. Объединяя такие молекулы, нельзя получить новое соединение. Но именно благодаря этому объединению можно создать системы для решения конкретных задач.

— Вы создали препарат для нейтрализации современных гербицидов. Как эта разработка связана с супрамолекулярной химией?

 — Эта работа началась ранее в нашей научной группе по одному из грантов Российского научного фонда. Отправной точкой стал вопрос о механизме действия препарата Сугаммадекс, который анестезиологи используют во время операций для устранения нейромышечной блокады. Это средство является одним из немногих примеров применения супрамолекулярной химии и химии «гость — хозяин»* в клинической практике.

В основе этого препарата — крупная молекула полисахарида, замкнутая в кольцо. Такие молекулы называются макроциклами. Попадая в организм, макроцикл связывает ранее введенный в организм миорелаксант по принципу «гость — хозяин»: его молекула оказывается захвачена в полость макроцикла. Поэтому миорелаксант уже не действует на пациента и свободно выводится через почки.

В агрохимии такие подходы практически не применяли, а лишь исследовали на базовом уровне. Мы предположили, что можно создать аналогичный супрамолекулярный антидот не только для медицины, но и сельского хозяйства.

— Из чего состоит ваш препарат?

 — В основе нашего препарата используются пилларарены — производные природного соединения гидрохинона (C₆H₄(OH)₂), которые были открыты в 2008 году японским ученым Томоки Огоши. Мы предположили, что пилларарен сыграет роль такого контейнера, в который можно загружать гербициды и воздействовать на их активность.

— Как тестировали препарат? Насколько он оказался эффективным?

 — Пока что мы проверяли такие системы на микроводорослях и высших растениях. Мы загрузили гербицид в наш «контейнер» и исследовали, улучшаются или ухудшаются его гербицидные свойства. В нашей недавней статье мы показали, что по отношению к однодольным растениям гербицидная активность увеличивается в четыре с половиной раза.

Исследования на водных организмах — инфузориях и мелких планктонных рачках, дафниях — показали, что токсичность гербицидов в такой форме, наоборот, снижается. То есть, наш супрамолекулярный препарат увеличил активность гербицида и при этом сделал его более безопасным.

— Этот препарат подходит для любых гербицидов?

 — Наша разработка находится на стадии рабочей концепции. Мы протестировали несколько гербицидов, но говорить об универсальности пока рано.

В исследованиях мы показали, как работает платформа на основе макроциклов: меняя структуру таких макромолекул, можно регулировать размер полости. Грубо говоря, для каждого «гостя» (молекулы гербицида) нужная своя «комната» правильного размера (макроцикл).

В перспективе мы надеемся расширить круг гербицидов и пестицидов, к которым этот подход можно применить. Сейчас мы показали, как эта разработка действует на нескольких конкретных примерах.

— Есть ли аналоги у такого препарата?

 — Основные разработки на основе пиллараренов ведутся в области биомедицины, а также для создания катализаторов и разделения углеводов.

В сельском хозяйстве подобные технологии пока не дошли до практического применения — ни в нашей стране, ни за рубежом.

— Как планируете развивать проект в будущем?

 — Пока этот проект служит заделом для научного направления. Наши исследования ведутся по гранту РНФ, по окончанию которого мы планируем запатентовать разработки и создать рабочие модели. Только после этого будем решать вопросы, связанные с производством и практическим применением препарата.

— Есть ли какие-нибудь трудности?

 — На мой взгляд, главная проблема всех разрабатываемых супрамолекулярных систем — не полностью изученная токсичность этих соединений. Необходимо выяснить, как эти соединения влияют не только на почвенные микробиомы, но и на живые организмы. Одновременно с этим в ближайшие годы необходимо найти квалифицированного заказчика из реального сектора экономики, чтобы довести разработки до промышленного внедрения.

— То есть, новый препарат может оказаться токсичным?

 — На данный момент показано, что макроциклическая платформа пилларарена сама по себе не является токсичной. Она может такой стать, если вводить в молекулу определенные заместители. Мы проверяли токсичность моделей, которые разработали, на клетках кожи — фибробластах. Они показали низкую токсичность.

— Какими еще исследованиями занимаетесь в настоящее время?

 — Мои интересы лежат в области супрамолекулярной и органической химии. Я работаю не только с пиллараренами, но и другими макроциклическими соединениями. Мы изучаем возможность их применения в той же логике, что и для сельского хозяйства: загружать в них молекулы препаратов и создавать на этой основе двойные или тройные системы, которые впоследствии можно использовать в том числе в медицине. Одно из наших направлений — создание таких платформ для вакцин против определенных видов рака.

— Какие научные задачи хотелось бы решить?


— Было бы здорово довести наши супрамолекулярные системы до реального внедрения. И создать библиотеку макроциклов для разных гербицидов, изучить их биоразлагаемость, научиться управлять этими системами, довести их до стадии регистрации препаратов.

Если говорить о более далеких перспективах — хочется верить, что нам удастся применять принципы супрамолекулярной химии в медицине, например, для «починки» нарушений в человеческом организме. По сути, наша цель — это сделать супрамолекулярную химию доступной для широкого применения: от агрономии до медицины, включая задачи, связанные с долголетием.


Беседовала Анна Шиховец