Рождение нового мира: как органический синтез позволяет создавать высокотехнологичные материалы и выращивать урожай

В 2024 году Вера Виль выиграла конкурс на создание молодежных лабораторий по направлению «Малотоннажная химия». Результатом стало открытие лаборатории химии промышленно полезных продуктов в Институте органической химии им. Н. Д. Зелинского РАН. Свои исследования она сосредоточила на новых способах формирования химических связей, в результате которых были получены инновационные препараты для защиты растений и новые пероксидные компоненты полимерных материалов. В интервью «Науке.РФ» ученая рассказала, как органический синтез меняет окружающий нас мир, почему опасна хемофобия, и какие перспективы открывают ее разработки для отечественной химической промышленности.



— Вера, что определило Ваш выбор профессии?

— Я училась в Ангарском лицее № 2 им. М. К. Янгеля в Иркутской области, где у меня была потрясающая учительница по химии — Оксана Смолякова. Она воспитала много ученых, которые сейчас трудятся в различных университетах. А на третьем курсе Российского химико-технологического университета имени Д. И. Менделеева мне удалось попасть в лабораторию доктора химических наук Александра Терентьева, в Институт органической химии им. Н. Д. Зелинского РАН. Меня так заинтересовали исследования, что я решила здесь работать. Изначально я понятия не имела о том, что значит быть ученым, у меня в семье нет никого, кто имел бы отношение к Российской академии наук.


— Почему Вас заинтересовал органический синтез?

— Методы органического синтеза лежат в основе всего, что нас окружает. Вещи состоят из органических молекул, созданных на предприятиях в результате химических реакций, процессов формирования новых химических связей или разрыва ненужных связей. За последние годы мир изменился кардинальным образом: появились полимеры, новые материалы и вещества, применяющиеся в самых разных сферах, от создания средств защиты растений до производства лекарств или продуктов питания. Думаю, это очень перспективная область науки. И если мы говорим о средствах защиты растений, то здесь стоит отметить, что человеческая популяция численно возросла именно благодаря тому, что человечество может производить много продуктов питания, мы научились выращивать больше урожая.
 
— Какие открытия повлияли на такой прорыв в сельском хозяйстве?

— Долгое время в мире все аммиачные удобрения получали из природной селитры, наиболее крупные ее запасы находятся в Южной Америке. За территории с месторождениями селитры в 1879–1883 гг. Чили даже вело войну с Перу и Боливией. Но в ХХ веке ситуацию изменило открытие немецкого химика Фрица Габера, синтезировавшего аммиак, который является основой минеральных удобрений, из азота и водорода. Сегодня мы умеем эффективно удобрять почву, получая хороший урожай, но вместе с культурными растениями активно растут и сорняки, а изобилие урожая привлекает бактерии, грибки и вредителей. Поэтому важна разработка средств защиты растений, которые сохранят урожай, предотвращая его гибель от патогенов, и экосистему. В штате нашей лаборатории около 50 человек, и одно из ключевых направлений для нас — синтетическая химия, мы нацелены на создание новых методов построения связей.

— Если говорить о развитии химической промышленности, какие задачи Вы перед собой ставите?

— В России в больших объемах производят и экспортируют удобрения, в том числе минеральные. Но действующие вещества для средств защиты растений, таких как фунгициды, гербициды и инсектициды, практически полностью приобретают за рубежом, что порождает зависимость от импорта. Поэтому задача российских ученых — разработать в нашей стране действующие вещества, являющиеся продуктом сложного органического синтеза. Применяющиеся сейчас препараты — это разработки крупных иностранных корпораций, проводивших исследования десятилетиями. В основе таких органических соединений — сложная молекула, полученная в результате многостадийного органического синтеза. Лаборатория нашего института под руководством Александра Терентьева занимается разработкой новых методов синтеза, то есть мы создаем новые способы конструирования разных молекул.


— По какой причине Вы проводите исследования, связанные с органическими пероксидами?

— На основе этих соединений можно создавать различные биологически активные вещества, способные лечить малярию и другие паразитарные заболевания. Один из самых известных органических пероксидов в мире — артемизинин (C₁₅H₂₂O₅), противомалярийный препарат, открытый в 1972 году китайской ученой Ту Юю. В 2015 году она получила за это исследование Нобелевскую премию по медицине и физиологии. В нашей лаборатории мы впервые синтезировали несколько классов ранее неизвестных органических циклических пероксидов. Несмотря на сложную циклическую структуру, их можно легко получить всего в две стадии, из достаточно простых исходных соединений. Исследуя полученные нами органические пероксиды, мы первыми в мире обнаружили, что они обладают фунгицидной активностью, то есть вызывают гибель грибковых клеток. Понимая необходимость решать проблемы продовольственной безопасности, мы подумали о применении этого открытия для создания средств защиты растений.

— Какое оборудование Вы используете в процессе исследований?

— В лаборатории все стандартно: колбы, пипетки, делительные воронки, роторные испарители, но в органическом синтезе для нас важны методы анализа. Мы устанавливаем состав смеси, строение веществ, которые входят в этот состав, извлекаем индивидуальные компоненты и составляем описание полученных веществ. Это самая дорогая часть исследований, к примеру, для органических соединений важным методом является спектроскопия ядерного магнитного резонанса. Мы используем ЯМР-спектрометр, еще несколько лет назад он стоил около 30 миллионов рублей, в России эти приборы пока не производят. Но без них невозможно проводить исследования, мои аспиранты каждый день снимают по 10−15 спектров на этом приборе, всего в нашем институте около 120 аспирантов и еще штат сотрудников. Поэтому у нас работает около пяти таких спектрометров. Также мы используем газовые либо жидкостные хроматографы. В России их производят в Йошкар-Оле, стоимость приборов около 2−3 миллионов рублей.


— Где Вы проводили полевые испытания новых соединений?

— Мы сотрудничали с Всероссийским научно-исследовательским институтом фитопатологии, это Московская область, в Больших Вяземах. Сейчас работаем с Учебно-опытным почвенно-экологическим центром МГУ им. М. В. Ломоносова «Чашниково». Наши многолетние полевые испытания показали эффективность применения новых фунгицидов против грибковых заболеваний, удается сохранить как растения, так и урожай. Полевые испытания мы проводим ежегодно, в разные сезоны и на разных культурах, кроме картофеля, опробовали соединения на яровой и озимой пшенице, на горохе. В зоне рискованного земледелия работаем вместе с Научно-исследовательским институтом сельского хозяйства Северного Зауралья в Тюмени.


— C какими заболеваниями растений помогает бороться разработанное Вами соединение?

— Огородники знают, что, например, в холодное и дождливое лето от фитофтороза может пострадать картофель, у пораженных растений сгнивают листва и клубни. С заведующей отделом болезней картофеля и овощных культур Марией Кузнецовой мы установили, что наши соединения способны противостоять этому заболеванию, их активность сопоставима с современными иностранными препаратами.

— У грибков не вырабатывается резистентность к Вашим веществам?

— Пока мы находимся в процессе исследования этого вопроса, и здесь мы открыты к сотрудничеству с биологами. Наши соединения обладают принципиально иной структурой, отличающейся от структуры известных фунгицидов. У нас есть ряд гипотез, мы не исключаем и процессы ферроптоза, обусловливающие аналогичное антималярийное действие от артемизинина. Но эти версии нужно еще проверить.


— Насколько экологичны и безопасны разработанные Вами соединения?

— Эти параметры нами тщательно проверены, мы проводили много контрольных экспериментов на предмет того, как долго эти соединения сохраняются в почве. Наши пероксиды достаточно быстро разлагаются в почве до соединений, которые безопасны для человека. Эти структуры очень похожи на действующий компонент SPF-крема, работающего на основе бензофенона, это один и тот же класс кетонов (R1-CO-R2). Если бензофенон все наносят на кожу, и это абсолютно безопасно, то кетоны, которые остаются в почве — тоже очень безопасные соединения. Ими питаются живущие в почве полезные микроорганизмы.


— Ваша разработка успела заинтересовать производителей?

— К сожалению, пока в России очень мало компаний, которые могут «осилить» сложный химический синтез. И, как правило, производители, способные это делать, занимаются своими проектами. Поэтому мы открыты для партнерства, если к нам придут производители, имеющие свою площадку и производственные мощности, мы будем рады сотрудничеству.

— Над какими еще проектами Вы сейчас работаете?

— Мы продолжаем развивать направление по созданию новых средств защиты растений и параллельно разрабатываем технологии получения инициаторов радикальной полимеризации и кросс-сшивки — ключевых компонентов для производства большинства полимеров. Понятно, что есть катионно-катализируемая полимеризация, но значительная часть полимеров (полиэтилен, полипропилен, полистирол, ПВХ) производится с использованием органических пероксидов другой структуры, отличной от наших средств защиты растений, объединённых лишь наличием связи «кислород–кислород». Ранее такие пероксиды закупались за рубежом, поэтому сейчас мы участвуем в крупном проекте по организации производства двух видов кросс-сшивающих агентов на основе органических пероксидов. В прошлом году нами были разработаны лабораторные регламенты, и мы передали технологию коллегам в Томске, которые масштабируют процесс, переходя от лабораторных колб к опытным партиям. В ближайшем будущем планируется запуск серийного производства, что позволит российским производителям полимеров закупать отечественные инициаторы и кросс-сшивающие агенты.

— Как новые технологии и ИИ влияют на Ваши исследования?

— В нашем институте реализуется крупный проект «Цифровая химия», объединяющий органический синтез и машинное обучение. В лаборатории металлокомплексных и наноразмерных катализаторов Валентина Ананикова разработаны нейросетевые модели для обработки данных с ЯМР- и масс-спектрометров, а также электронного микроскопа. Эти модели анализируют информацию быстрее и точнее человека, выдавая готовые заключения. Что очень удобно, поскольку электронный микроскоп генерирует огромное количество изображений, которые человеку физически невозможно просмотреть и обработать.

— Может ли развитие биотехнологий оказывать воздействие на органическую химию?

— На органический синтез это оказывает достаточно слабое влияние. Какие-то отдельные стадии или, например, очень сложные структуры природного происхождения производятся с использованием биотехнологий. Несмотря на популярность всего «био», назову это в чем-то навязанной утопией. Органическое земледелие без использования химических средств защиты растений возможно, но тогда часть населения будет голодать, так как урожайность снизится, а цены на продукты вырастут. Поэтому процветающая хемофобия — это от незнания. Современные средства защиты растений имеют такие низкие рабочие концентрации, что после полного цикла обработки практически не остаётся молекул активного вещества, они безопасны для людей. Проблема в том, что многие сельхозпроизводители нарушают регламенты, проводят 2–3 обработки подряд вместо одной или применяют инсектициды в период активности пчёл, что и приводит к массовой гибели насекомых.

— На Конгрессе молодых ученых у Вас была возможность пообщаться с президентом. Какие темы Вы затронули в разговоре?

— Участие в конгрессе — большая честь, и я благодарна всем, кто подготовил это мероприятие и дал мне возможность донести свои мысли до главы государства. В беседе с президентом я говорила о значении Российского научного фонда, который за 10 лет изменил научный ландшафт в нашей стране, поддерживая молодых ученых и их проекты. Лично для меня это была существенная помощь во время учебы в аспирантуре, позволившая полностью сосредоточиться на моей диссертации и исследованиях. Также я затронула тему малотоннажной химии, когда необходимо производство веществ в небольших количествах. Ранее их приобретали за рубежом без полного понимания состава, предприятия покупали импортные технологии и работали по ним «вслепую». Сейчас мы стремимся к импортозамещению таких веществ, чтобы обеспечить независимость производства.


— Какие специальности сегодня востребованы в Вашей отрасли? И какие меры поддержки молодых ученых Вы бы отметили?

— Сейчас остро не хватает химиков-технологов, хорошо разбирающихся в органическом синтезе и инженерии производства. Эти специалисты очень востребованы, предприятия даже борются за них. К сожалению, у нас мало вузов, которые готовят такие кадры, один из них — Российский химико-технологический университет. Что касается мер поддержки, то назову президентские гранты РНФ и президентские стипендии, наш аспирант получил такую стипендию в этом году. Отмечу программу жилищных сертификатов Минобрнауки РФ, обеспечивающую молодых ученых жильем.

— Что помогает Вам так успешно выполнять свою работу?

— Любопытство стимулирует к исследованиям, оно заставляет сомневаться, искать и открывать нечто новое. Также важно уметь работать в команде, за любым прорывом сегодня стоят совместные усилия. Третий совет — найдите среду для роста, где вы будете самым неопытным и малознающим. Моему развитию способствует окружение из сильных специалистов и хороших руководителей. Идите туда, где концентрация умных людей! А вот таких мест, где вас чрезмерно хвалят, я бы посоветовала избегать. И обязательно занимайтесь спортом, он положительно влияет на умственную деятельность. Я люблю бег, велосипед, походы, плавание и тренажерный зал. Мне часто именно во время тренировок приходят важные мысли о моей научной работе.



Беседовала Светлана Минеева