Научные достижения химического факультета
Химики МГУ создали самоочищающиеся материалы
для химико-биологической защиты
Сотрудники кафедры химической
энзимологии Химического факультета МГУ с коллегами из НИТУ "МИСиС" создали
полифункциональные защитные материалы, способные не только предотвращать
попадание токсинов и микробов на кожу, но и полностью разрушать их. Для этого
ученые объединили ферменты, антибиотики и наночастицы металлов. Работа опубликована в издании
International Journal of Molecular Sciences.
Материалы со специальными
защитными свойствами нужны в самых разных отраслях – от медицины до сельского
хозяйства. Для их создания есть несколько путей. Можно попробовать сразу
создать волокна с защитными свойствами и затем произвести из них ткань или
нетканый материал. Можно сделать наоборот – модифицировать уже готовую ткань,
придав ей защитные свойства. В любом случае получается материал, который не
пропускает опасные вещества, задерживая их на поверхности.
Важно помнить, что токсины никуда
с такого материала не исчезают, и даже при высокотемпературной, жесткой
кислотной или щелочной обработке не разлагаются. Поэтому ученые пошли ещё
дальше: "Наш интерес заключался в создании ткани, способной не только
задерживать вредные вещества, но и уничтожать их, – рассказала заведующая
лабораторией Экобиокатализа химического факультета МГУ, д.б.н., профессор Елена Ефременко. – В первую
очередь мы ввели в состав материала ферменты, способные гидролизовать (и тем
самым нейтрализовать) целый ряд токсинов. Поскольку наша работа в основном
направлена на защиту людей, работающих в области сельского хозяйства, такими
токсинами стали фосфорорганические вещества (пестициды) и продукты
жизнедеятельности микроскопических грибов (микотоксины)".
Выход людей на поля при сборе
урожая всегда предполагает контакт с растениями, которые ранее обрабатывались
фосфорорганическими пестицидами. Известно, что отказ от пестицидов приведет к
тридцатипроцентному снижению пищевого валового продукта по всему миру. Поэтому
никакие генетические манипуляции для повышения сопротивляемости растений к
насекомым и сорнякам не могут полноценно заменить химическую обработку.
"Проблема заключается в том, что
все эти пестициды имеют нервнопаралитическое воздействие на человека, –
объяснила Елена Ефременко. – Попасть в организм они могут вместе с едой и
жидкостями, а также при вдыхании и через кожу. После этого они начинают
накапливаться в тканях и органах человека. Это создает большую угрозу для
собирающих урожай. Известно, что около трехсот тысяч людей ежегодно умирают от
отравления пестицидами. Контроль осуществляется, но проблему накопления решить
не удается".
Помимо химической защиты авторы
поставили себе задачу защитить человека еще и от воздействия бактерий.
Эффективным решением в этом случае стало добавление антибиотиков в материал,
уже содержащий ферменты для защиты от токсинов. Но для получения ткани с
комплексной защитой необходимо использовать антибиотик, который хорошо
комбинируется с ферментом. Потому что если добросовестно не подобрать пару
фермент-антибиотик, то они будут негативно воздействовать друг на друга, и
материал перестанет работать как защита.
"С помощью методов компьютерного
моделирования мы попытались подобрать такую пару, – пояснила Елена Ефременко. –
Для нас было важно использовать биодеградируемый антибиотик, который не будет
загрязнять окружающую среду, но при этом сможет хорошо действовать и не
инактивирует фермент. Мы пошли еще дальше – взяли фермент, который может
нейтрализовать не только токсины, но еще и сигнальные молекулы, вырабатываемые
бактериями для усиления их устойчивости к антибиотикам. Так фермент помогает
антибиотику уничтожать бактерии".
Бактерии устроены так, что со
временем могут приобрести устойчивость к действию антибиотика. Чтобы этого
избежать, ученые ввели в защитный материал наночастицы металлов, по отношению к
которым резистентности у бактерий нет. Самое большое распространение сейчас
имеют наночастицы цинка: их добавляют в зубные пасты, пломбы, имплантаты. Но
цинк действует так, что клетки останавливаются в своем развитии, но не уничтожаются.
К тому же цинк – это биологически активный металл, он присутствует в активном
центре многих ферментов. Поэтому введение цинксодержащих наночастиц не
приветствуется. Авторы впервые обнаружили, что успешно могут быть применены наночастицы
другого металла –тантала. С одной стороны, они вызывают гибель многих бактерий,
а с другой – не имеют биологической активности.
"Чтобы выяснить остаточные
количества микробов и токсинов на тканях, нам пришлось разработать специальную
методику, ведь узнать это традиционными методами микробиологии нельзя, –
рассказала Елена Ефременко. – Мы проводили экстракцию АТФ – молекул,
концентрация которых отражает метаболическую активность клетки. Уровень АТФ –
это характеристика клетки, похожая на температуру тела человека. Она выражает
нечто суммарное от всех процессов, происходящих в клетках. Если концентрация
АТФ резко падает на большое количество процентов, можно смело говорить о гибели
клетки. Так мы смогли отслеживать эффективность работы наших тканей при
нанесении на них клеток. В итоге нам удалось добиться практически полного
отсутствия микробов и токсинов на обработанных материалах".
Сейчас новый материал проходит
патентование.
Ссылка на статью:
Ilya Lyagin, Nikolay Stepanov, George Frolov, Elena Efremenko
Combined Modification of Fiber Materials by Enzymes and Metal Nanoparticles for Chemical and Biological Protection
Int. J. Mol. Sci. 2022, 23(3), 1359
https://doi.org/10.3390/ijms23031359
