Что такое свет с точки зрения современной химии? Какие возможности он нам открывает? Как их можно применить в создании новых материалов или в медицине? Об этом рассказывает академик Юлия Германовна Горбунова, главный научный сотрудник Института общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН, главный научный сотрудник Института физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН.
— Юлия Германовна, вы трудитесь сразу в двух химических институтах и оба считаете для себя одинаково важными. Как это получилось?
— Это неслучайно. Эти два института многое связывает в истории. Тематика, которой мы занимаемся, родилась в ИОНХ, в лаборатории координационной химии щелочных и редких металлов, которой руководит академик А.Ю. Цивадзе. В то время он был здесь заведующим лабораторией и заместителем директора института. В 2002 г. Аслан Юсупович становится директором Института физической химии, и мы начинаем тесно сотрудничать с этим институтом. Здесь, в ИОНХ, мы занимались координационной химией, синтезом соединений. А одним из направлений работы Института физической химии стали исследования в области химии поверхности и создание материалов. И таким образом получилось тесное сотрудничество, вылившееся в создание двух групп, работающих совместно.
— Чем же занимаются эти две группы? Что у них общего?
— Как я уже говорила, мы занимаемся синтетической химией, но сегодня тенденции в науке меняются. Когда я только пришла в науку, умение синтезировать некую новую молекулу было мастерством и для того, чтобы опубликовать статью, нужно было доказать, что это вещество действительно новое, чистое. Сегодня просто новые молекулы мало кого интересуют, важно объяснить, зачем эта молекула нужна. Но и этого мало. Как правило, сейчас полноценное исследование, которое можно опубликовать, связано с каким-то применением: чтобы из молекулы сделать материал, чтобы показать, каким свойством этот материал обладает. В этом плане наука, в том числе и химия, становится все более междисциплинарной. Многие свойства соединений, с которыми мы работаем, зависят от света.
— Мы привыкли думать, что свет — явление физическое. При чем здесь химия?
— Казалось бы, да — это чистая физика: излучение, поглощение, энергия света. Но сегодня свет и все, что связано с его приложениями, играет очень большую роль в химии. Объясню это на примере тех соединений, которыми мы занимаемся, — синтетических аналогов порфиринов, самый известный представитель которых — хлорофилл.
Как работает хлорофилл в природе? Он поглощает солнечный свет и запускает целый каскад химических реакций. В школе рассказывают про превращение углекислого газа в кислород в зеленых растениях, которые мы называем легкими планеты. Это свойство — умение поглощать свет — лежит в основе очень многих применений, связанных с данным классом соединений.
— Какие же это применения?
— Сейчас мы с вами переживаем сложную эпоху под названием «пандемия» и в результате узнали очень много новых слов, терминов, познакомились с медицинскими инструментами. Например, пульсоксиметр. Сейчас практически в любом доме есть такой небольшой прибор, который меряет то, что называется сатурацией кислорода. По его уровню можно сказать о состоянии здоровья человека заболевшего или заболевающего.
Этот маленький приборчик, который сейчас может купить себе практически любой, работает на основании принципа измерения спектра нашего гемоглобина. А гемоглобин состоит из природного порфирина железа — гема. Железо связывает кислород и переносит его по нашему организму.
В здоровом состоянии у человека практически стопроцентное связывание кислорода молекулами гема. А когда человек заболевает, то кислород не связывается с железом, не переносится по организму, и из-за этого в организме начинаются проблемы. Так вот, молекула со связанным кислородом и молекула свободная, где нет кислорода, отличаются спектрально. Фактически пульсоксиметр устроен так: в нем два светодиода, которые измеряют спектр гемоглобина на двух длинах волн и считают процент молекул со связанным кислородом и несвязанным.
Если сатурация составляет 100%, то это означает, что каждая молекула кислорода находит свою молекулу порфирина железа, связывается с ней, следовательно, все в порядке. Любое понижение означает, что есть свободные молекулы, где кислород не связался, и это уже проблема.
Вот, казалось бы, химия тех соединений, с которыми мы работаем, — и такой важный практический результат. Но далеко не единственный. Например, это свойство молекул по-разному излучать может использоваться для сенсорики кислорода в крови. Одна из тем, которыми мы занимаемся, — создание сенсоров для кислорода, которые потенциально могут применяться в различных объектах, в том числе и живых. Иногда это очень важно. Например, в медицине есть такая задача, как искусственное оплодотворение.
— Неужели и эту задачу вы решали?
— Мы создавали соединения, которые потенциально могут это делать. От концентрации кислорода в среде, где происходит искусственное оплодотворение, зависит, насколько этот процесс будет успешным. Контролировать уровень кислорода тоже очень важно.
Мы со школы знаем о семи цветах радуги. Каждый из этих семи цветов соответствует электромагнитному спектру различной энергии. Точно так же и наши соединения цветные: они поглощают и излучают в разных областях спектра. Их взаимодействие с любыми другими молекулами приводит к изменению поглощения. Молекула, поглощая свет, переходит в так называемое возбужденное состояние, и возврат из этого состояния в основное может происходить разными путями. Может просто выделиться тепло, и никто ничего не заметит. Еще один способ — вещество высветится в люминесценцию, и вы увидите яркое свечение. Или же, например, эту энергию можно передать на полупроводник, на основе такого принципа делаются современные гибридные солнечные батареи.
Существует множество разнообразных задач — например, как эффективнее конвертировать эту энергию, достигать более высокого КПД. Для этого осуществляется так называемый дизайн молекулы, меняется ее структура. Мы занимаемся координационной химией, а она связана с химией катионов, металлов. Варьируя природу катиона внутри молекулы, мы получаем соединения с различными свойствами.
Еще один способ возврата из этого возбужденного состояния связан с тем, что если определенным образом осуществить дизайн молекулы, то эта молекула может передать энергию, которую она поглотила от света, находящемуся в организме кислороду. В результате образуется так называемая активная форма кислорода.
— Активная форма кислорода — это, как мы знаем, один из самых сильных окислителей, мешающих бороться со старением. Зачем же его получать?
— Можно окислить этим кислородом что угодно — химическое вещество или, например, бактерии. По этому принципу устроена антибактериальная фотодинамическая терапия, и это одно из направлений, которым мы занимаемся. У нас есть грант РНФ на эту тему. Мы синтезируем соединения фотосенсибилизаторов. Они могут поглотить свет, при этом сенсибилизировать генерацию активных форм кислорода. Если такими соединениями обрабатывать поверхности, то достаточно освещения и кислорода, чтобы получить антибактериальный эффект.
— Как я понимаю, можно создавать принципиально новые антибиотики с подобным механизмом действия?
— Это полная альтернатива антибиотикам. Мы знаем, что существует колоссальная проблема антибиотикорезистентности, и во время пандемии множество людей погибало не из-за коронавирусной инфекции, а из-за внутрибольничной инфекции, с которой очень сложно бороться. А фотодинамическая терапия — это универсальный метод, позволяющий уничтожать бактерии за счет их окисления.
— Такие вещества, с помощью которых можно бороться с инфекциями, уже существуют?
— Как раз их разработкой мы сейчас и занимаемся. Молекулы, которые мы синтезируем, будут реальными прототипами материалов, которые можно использовать в этих целях. В Японии такие соединения уже существуют. Наше ноу-хау в том, что мы пытаемся сделать такие соединения, которые будут делать это более эффективно, на дневном свете, чтобы не нужно было специальных лазеров.
Вообще эта тематика выросла из другой. Уже лет 30 порфирины применяются как препараты для фотодинамической терапии и диагностики онкологических заболеваний. Уже есть несколько российских препаратов, которые продаются в аптеках и активно применяются. Суть такая же: вещество вводят в организм, оно накапливается избирательно в раковых клетках. Потом светом определенной длины волны диагностируют, где это место находится, затем светом другой длины волны светят, и за счет того, что происходит генерация синглетного кислорода, опухоль, где находится это вещество, фактически выжигается.
— Слышала, что у этой методики есть недостатки…
— Да, у этих сенсибилизаторов есть целый ряд проблем. Они должны иметь световое поглощение в так называемом окне прозрачности ткани, чтобы можно было проникать в организм на максимальную глубину. Поэтому в основном этот метод применяется при раке кожи, а также тех органов, куда можно поместить световод, — например, при раке гортани, женских половых органов.
Есть проблемы с тем, что остатки вещества должны хорошо выводиться из организма. После фотодинамической терапии людям в течение полугода не разрешают выходить на открытое солнце, потому что иначе можно получить локальные ожоги. То есть тут свет имеет и свои плюсы, и свои минусы. Но тем не менее это достаточно прогрессивный метод. А еще это свойство можно использовать для фотокатализа.
— Каким образом?
— Дело в том, что большинство современных процессов тонкой химии — фармацевтической, полимерной химии — используют катализ. Катализаторы — это вещества, которые ускоряют реакцию, делают ее более эффективной, экологичной.
— И здесь тоже можно использовать свет?
— Да. До недавнего времени катализ был в основном металлокомплексный, основанный на таких дорогих металлах платиновой группы, как платина, палладий, родий, иридий, рутений. Это не только дорогие металлы — они исчерпаемые, к тому же в любом случае металлы — это загрязнение, с которым сложно бороться.
А в последнее время появились новые отрасли катализа, за одну из которых в прошлом году дали Нобелевскую премию по химии, — это органокатализ. Очень активно развивается фоторедокс-катализ, когда с помощью фотопроцессов запускают всевозможные реакции окисления, восстановления. Синглетный кислород — это один из таких процессов, когда вы можете очень эффективно проводить окисление, не используя каких-то других химических окислителей. Недавно у нас вышла статья по фотокатализу, это окисление сульфидов — прекурсоров для очень многих очень важных фармацевтических субстанций. Вообще сейчас в мире фотокатализ — передовое направление. Мне кажется, что за светом в химии вообще большое будущее.
— Фактически это бесплатный источник разнообразных возможностей, не так ли?
— Да, именно так. Это и новые источники энергии, и новые химические процессы. Еще одно из направлений, которыми мы занимаемся, — молекулярные переключатели и молекулярные машины, так называемые умные материалы, которые под воздействием разных факторов могут обратимо менять свои свойства. Тут ключевое слово — «обратимо». Идея заключается в том, что, допустим, мы сделали некое покрытие для вашего смартфона или автомобиля, а вы его поцарапали, что случается сплошь и рядом. И вот вы берете лазерную указку, светодиод определенной длины волны, светите, и если эта царапина не слишком глубокая, то от нее не останется и следа. Она фактически затягивается.
— И страховым компаниям делать будет нечего...
— Наверное, в ряде случае — да. Если мы говорим все-таки о перспективах, о будущем, то такие умные материалы, подстраиваемые с помощью света, тепла или других возможностей, будут применяться все шире и все чаще.
— А ведь их можно использовать и в медицине, чтобы избавиться от шрама, пореза, рубца.
— Да, и это тоже одно из направлений. Мы сейчас в сотрудничестве с физиками и медиками исследуем новые фотосенсибилизаторы. Возможности вещества проникнуть в клетку изучаем с коллегами из Института физической химии, смотрим, анализируем, как наши сенсибилизаторы сорбируются на мембране. Мы синтезировали новую молекулу, которая прекрасно генерирует активные формы кислорода, но при этом она не проникает в клетку. И вот наши коллеги-физики из Троицка, как раз занимающиеся различными видами спектроскопии, предложили: «А давайте мы будем использовать эти ваши вещества как биокатализаторы для заживления ран?»
На рану наносятся фотосенсибилизатор и производные гиалуроновой кислоты, которая может полимеризоваться, далее светом запускается реакция радикальной полимеризации и фактически происходит заращивание этой раны (образование искусственной кожи). Сейчас этот эффект изучается на мышах.
— Выходит, свет — это не только волна и не только частица, это и химия, это и жизнь, это и друг, и враг, и море возможностей. А самое главное — здесь нет никаких юридических проблем, никто не скажет, мол, свет — это наша собственность, пожалуйста, не пользуйтесь.
— Как я говорю, Солнце нам пока светит бесплатно и 4,5 млрд лет у нас есть. Думаю, этого достаточно, чтобы успеть получить много полезного.
