В Университете ИТМО учёные разработали нанокомпозиты на основе ферментов и магнитных наночастиц, способные увеличивать свою активность под действием радиочастотного (RF) излучения. Такие ферментативные композиты могут быть потенциально применены в качестве биологических RF-датчиков или для контроля биохимических реакций внутри живых организмов.
«В нашей работе мы описываем композитную систему, состоящую из магнитных наночастиц и молекул ферментов, и исследуем влияние радиоизлучения на активность таких систем. Как известно, все биохимические процессы в живых организмах протекают под воздействием ферментов, и общее соотношение скоростей таких ферментативных процессов определяет состояние живого организма в целом, - сообщил Андрей Дроздов, участник исследования, кандидат хим. наук, сотрудник лаборатории SCAMT Университета "ИТМО", - Большинство биохимических процессов управляются простыми и часто универсальными стимулами: температурой или химическим составом окружающей среды, эти процессы протекают как сами по себе, так и под действием человеческого влияния: действие большинства лекарств основано как раз на ускорении или торможении ферментативных реакций. Кроме того, в природе есть и более экзотические биохимические системы, которые чувствительны, например, к свету (фоторецепторы в глазах) или электромагнитным полям (рецепторы электрического поля у рыб, магнитная навигация перелетных птиц)».
По мнению Андрея Дроздова, ученые «вдохновлялись такими системами, способными переводить внешнее физическое воздействие в химический отклик», и «разработали гибридный материал, который способен поглощать электромагнитное излучение и передавать получаемую энергию молекулам ферментов, тем самым увеличивая их активность». Сотрудник лаборатории SCAMT Университета "ИТМО" заверил, что в этом проекте «удалось достичь почти пятикратного увеличения скорости протекающей реакции, причем наблюдаемый эффект был обратимым и воспроизводимым: мы можем «включать» и «выключать» процесс, просто накладывая или убирая облучение».
Для этого исследования специалистами ИТМО были созданы композитные материалы на основе фермента карбоангидраза. Потому что, как поясняет Дроздов, «хотели исследовать принципиальную возможность осуществления процесса, мы использовали материалы, которые а) важны для жизнедеятельности клеток, б) относительно дешевы, в) которые легко изучать. Основной объем работ был сделан на карбоангидразе — ферменте, важным для клеточного дыхания. Она хорошо изучена и для нее есть большое количество стандартных методов анализа активности». Кроме того, чтобы проверить универсальность предлагаемого подхода учеными был применен и другой фермент, который можно легко анализировать, – кислая фосфатаза.
Чтобы не разрушить выбранные ферменты, в эксперименте использовалась частота волны радиоизлучения в 200 кГц. «Подобное излучение не взаимодействует с живыми объектами и биомолекулами, но может поглощаться выбранными нами наночастицами. Кроме того, такое излучение имеет хорошую проникающую способность, что потенциально позволяет активировать наши системы внутри живых объектов», - объяснил Андрей Дроздов.
Результаты экспериментальной работы научного коллектива опубликованы в международном научном издании ACS Biomaterials Science & Engineering (30.10.2018). «Данный проект является одним из ответвлений разработок в области функциональных материалов, проводимых в нашей лаборатории. Первый шаг к его реализации был сделан еще 4 года назад, и постепенно идея развилась до этого уровня», - сказал Дроздов.
В исследовании, с большим количеством лабораторных испытаний принимали участие 4 человека: основная масса экспериментальной работы была проделана первым автором публикации, магистранткой кафедры химии и молекулярной биологии, мегафакультета биотехнологий и низкотемпературных систем - Юлией Андреевой. Андрей Дроздов занимался разработкой концепции, анализом полученных данных и подготовкой материалов совместно с руководителем международной научной лаборатории "Растворная химия передовых материалов и технологий", ккандидатом хим.н. - Владимиром Виноградовым и зарубежным коллегой - профессором Давидом Авниром из Еврейского университета города Иерусалима (Израиль).
Андрей Дроздов в лаборатории
Говоря о преимуществе метода увеличения активности ферментов при помощи радиочастотного излучения перед другими технологиями, Дроздов отмечает: «…В литературе довольно небольшое количество работ, посвященных влиянию физического воздействия на ферментативные системы. Есть работы, посвящённые созданию светочувствительных систем, которые позволяют проводить локализованное управление биохимических процессов, но у такого метода основное ограничение – проникающая способность используемого света весьма мала, если такую систему поместить внутрь другого объекта, то свет до нее просто не дойдет. В мире есть несколько групп, одна из которых работает на базе МИСиС и МГУ, также занимающихся проблемой воздействия электромагнитных полей на ферментативные системы, но мы применяем уникальный метод создания наших материалов, что приводит к ряду интересных эффектов и что позволяет нам занимать свою отдельную нишу в данной тематике».
Какие следующие шаги ожидаются по изучению этих радиоуправляемых ферментов? «Поскольку в данной работе мы показали принципиальную возможность подобных систем, в дальнейшем нам было бы интересно усовершенствовать ее эффективность и попробовать проконтролировать активность ферментов внутри живых объектов, начиная с простейших моделей на клетках. По сути, мы можем попробовать создать радиоуправляемый живой организм. Разумеется, радиоуправляемые насекомые и, даже животные, уже известны довольно давно: там речь идет о воздействии электрических импульсов на нервные волокна. В нашем же случае мы можем попытаться управлять биохимическими процессами внутри организма, что лежит на более глубинном уровне», - поделился Андрей Дроздов.
Фото и инфографика предоставлены Андреем Дроздовым
