Российские ученые синтезировали наночастицы с переключаемой антиоксидантной активностью
Исследователи из Института общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН и Института теоретической и экспериментальной биофизики РАН впервые получили неорганические аналоги природных энзимов на основе наночастиц диоксида церия и яблочной кислоты.
Белки играют ключевую роль в жизни организмов, участвуя в функциях дыхания, использования энергии, восприятия информации, защиты от внешних угроз и многих других. Одной из важнейших функций белков является катализ биохимических реакций. Белки-катализаторы выделяют в отдельный класс ферментов, называемых энзимами. Энзимы участвуют в многочисленных процессах, таких как расщепление и синтез сложных молекул, внутриклеточное дыхание и энергетический обмен. К настоящему времени известны многие тысячи белков-энзимов, каждый из которых выполняет свою уникальную функцию в живых системах.
Не так давно стало известно, что не только белки могут катализировать биохимические процессы. Схожие функции могут выполнять и ультрамалые частицы неорганических веществ, например, наночастицы благородных металлов (серебра, золота) или оксидов переходных и редкоземельных элементов (железа, титана, церия). Такие «неживые» катализаторы, называемые наноэнзимами, обладают уникальными свойствами. По сравнению с природными энзимами, они намного более устойчивы к нагреванию, сохраняют каталитическую активность в сильнокислых или сильнощелочных средах, при этом имеют меньшую селективностью и активностью, а также значительно дешевле, чем их белковые прототипы.
Нанозимы имеют большой потенциал для создания современных фармацевтических препаратов, поэтому важно, чтобы все их компоненты были биосовместимы и не оказывали токсического действия по отношению к клеткам и тканям живых организмов. Одним из наиболее перспективных в этом плане является диоксид церия, который не только биосовместим, но и стимулирует пролиферацию здоровых клеток, обладая при этом антибактериальным и противовоспалительным действием.
Авторы исследования сконцентрировались на анализе энзимоподобных свойств наночастиц диоксида церия, стабилизированных яблочной кислотой. Эта органическая молекула сама по себе участвует в биокаталитических превращениях трикарбоновых кислот, которые вовлечены в процессы клеточного дыхания, и к тому же обладает собственной биологической активностью — прежде всего антиоксидантными свойствами.
«Мы намеревались выяснить, как именно энзимоподобные свойства таких наночастиц зависят от их состава, то есть количества органических молекул на поверхности наночастиц. Для исследования свойств наночастиц использовали чрезвычайно высокочувствительный хемилюминесцентный метод. Неожиданным результатом нашей работы явилось то, что при малом содержании органического стабилизатора на поверхности наночастиц диоксида церия они увеличивают скорость образования реакционноспособных свободных радикалов в системе, то есть способствуют протеканию окислительных реакций. Аналогичную активность по отношению пероксида водорода проявляет и природный фермент пероксидаза. Напротив, при высоком содержании яблочной кислоты наночастицы замедляли образование радикалов, то есть показали антиоксидантную активность. Таким образом, изменяя количество молекул, находящихся на поверхности наночастиц, можно переключать их свойства», — рассказал руководитель исследования, член-корреспондент РАН Владимир Иванов.
Для описания этого эффекта исследователи использовали простую геометрическую модель, которую, по мнению ученых, можно использовать и для предсказания биологических свойств других наноматериалов. Кроме того, авторы провели тщательные исследования биологической совместимости полученных наночастиц, которые достоверно показали, что они не являются токсичными по отношению к стволовым клеткам человека.
В целом, полученные результаты открывают новые возможности для получения биосовместимых неорганических наноматериалов с регулируемыми про- и антиоксидантными свойствами.
Исследование выполнено при поддержке РНФ.