A fullerének váratlan biológiai tulajdonságai szénnanorészecskék
A megbízó a verseny - a előrelátó cég Life Technologies. Támogatója a Közönség Díjat - a cég Helikon.
Balls nanofutbolistov
Fullerének - egy meglehetősen szokatlan osztályú molekulák képviselő egyik formája a létezés szén (ún allotrop módosításokkal). Jól ismert gyémánt és grafit - nem egyszerűen a különböző allotropic formájú szén, azonban a gyémánt szerkezete szénatomot tartalmaznak az tetraéderek összeszerelése, grafit áll sík rétegek vannak kialakítva hatszögek, valamint fullerén egy gömb alakú molekula, egy zárt felület. A legegyszerűbb a fullerén tartalmaz 60 szénatomos, és meglepő módon hasonlít a futball-labda a felépítésében: felülete van kialakítva váltakozó pentagon és hatszögek, és a mérete a „labda” csak 1 nm (nanométer).
1. ábra: A fullerénmolekulára nagyon hasonlít a futball, csak gólt tudtak csak futballista nanoszkopikus méretét.
A felfedezés a fullerének - élénk példa a prediktív ereje a tudomány: a 70-es években a XX században készült elméleti kvantum-kémiai számítások megjósolni az ilyen molekulák, de csak 1985-ben, hogy azt először fedezték fel a tanulmány a grafit gőz után lézeres besugárzás [1 ]. Később, fullerén találtak természetes ásványi anyagok - önmagában megér egy kő sungit [2]. És az utóbbi időben kiderült, hogy ezek a szén „golyó” található még a kozmikus ködök [3].
Fizikája fullerének és vegyészek találtak a különböző felhasználási: ezek szintézisében alkalmazott új vegyületek gyártásához optika és vezetékek. Körülbelül azonos biológiai tulajdonságai fullerén sokáig rictil megállapítások: a biológusok nyilvánította őket toxikus [4]. Kimutattuk, hogy az antioxidáns tulajdonságait fullerének és javasolt alkalmazásukat kezelésére súlyos betegségek, mint a bronchiális asztma [5].
Patkány-elérjük
Ezek a lipofil anyagok pozitív töltésű molekulákat a mellékelt antioxidáns „farok”, ami miatt a szerkezet felhalmozódnak a mitokondriumokban (ezekben organellumok eukarióta sejtekben vezet a reaktív oxigén gyökök). Azonban, számos olyan vegyületet SkQ meghosszabbítja az életet a kísérleti egerek, átlagosan csak 30%.
Ábra 2.Sleva - egér, amely öregedés lelassul fogadó „Skulachev ionok” jobb - egér a kontrollcsoport [11].
Miért fullerén annyira hatékony a küzdelem az öregedés ellen?
Ezt a kérdést, elkezdtük vizsgálni annak lehetőségét, hogy további mechanizmus a biológiai hatás Fullerének - amellett, hogy a már ismert antioxidáns. Tip felfedezte a tanulmány számos olyan vegyületet SkQ - SkQR1 tartalmazó rodamin maradékot. Ez a vegyület csoportjába tartozik protonophores - molekulákat képes átvinni protonok a intermembrán tér át a membránon a mitokondriális mátrixba, így csökkentve a transzmembrán potenciál (Δψ). Mint tudja, ez az a potenciál, hogy létezik különbség miatt a tartalom a protonok a membránon keresztül, és energiát biztosít a termelés a sejtben. Azonban az is a forrása a ROS-termelés. Lényegében, az aktív oxigén fajok rokon a „mérgező hulladék” az energiatermelésben. Miközben számos hasznos funkcióval. [12] többnyire AFK - a károk forrásai DNS, lipidek és számos intracelluláris struktúrák.
3. ábra diagramja a mitokondrium (bal) átadása protonok szerves savak - „soft releasers” (középen) - és dinitro-fenol - a legismertebb „releasers” (jobb).
Bizonyított tény, hogy a csökkenés mitokondriális transzmembrán potenciál hasznos lehet a sejtek [13]. Csökkentve azt csak 10% csökkenést eredményez a ROS-termelés 10-szer [14]. Vannak úgynevezett „soft lecsatolok” fokozása proton vezetőképessége a membrán, ami a „szétkapcsolását” A légzés és a foszforiláció ATP [15].
Talán a leghíresebb „szétkapcsolószer» - DNF, vagy 2,4-fenol (3. ábra). A 30 éves a huszadik század, ez nagyon aktívan használják az elhízás kezelésére. Valójában, dinitrofenolt - az első „zsírégető” használt hivatalos orvoslás. Az intézkedés alapján a sejt kapcsolók az alternatív útvonal, kiindulási „égő” a zsírok, és a kapott sejt-energia tárolódik ATP, a szokásos módon, és a kibocsátott hő formájában.
Keresés tüdő módon fogyni mindig fontos, míg a képviselői Homo sapiens lesz aggódni a megjelenés; Tanulmányunk azonban sokkal érdekesebb az a tény, hogy az ilyen „puha lipázin” csökkenti a ROS-termelés és kis adagokban segíthet az élet meghosszabbítása. [16]
Felmerül a kérdés - vajon fullerén eltérő antioxidáns tulajdonságait, és a tulajdonságokat még „hordozók” a protonok, így jár, azonnal mindkét oldalon? Miután az összes, gömb alakú fullerén-molekula - egy belül üreges, ami azt jelenti, hogy lehet jól illeszkedik a kis részecskék - például proton.
Modeling in silico. tette a fizika
A hipotézis a csapat REC „nanoméretű anyag szerkezetének” végeztünk a bonyolult számításokat. Ahogy a történet a felfedezés Fullerének a tanulmányban, számítógépes szimuláció előzte kísérletek. Modellezése proton penetráció képességek fullerén és töltéseloszlás egy ilyen rendszerben alapján előállított uségfunkcionálelméletben (DFT). Ez egy széles körben elterjedt eszköze a kvantum-kémiai számítások, amely lehetővé teszi, hogy kiszámítja a tulajdonságait molekulák nagy pontossággal.
A szimuláció, egy vagy több proton kívül elhelyezett fullerén, majd kiszámításához használt optimális konfiguráció - amelyben lesz a minimális teljes energia. A számítási eredmények azt mutatták, hogy a protonok tudnak hatolni a fullerén! Kiderült belül C60 molekula tárolható legfeljebb hat protonok ugyanabban az időben, de a hetedik és később nem lesz képes bejutni, és taszítják - az a tény, hogy a „töltött” protonok fullerén szerez pozitív töltést (és, mint tudjuk, az azonos töltések taszítják egymást) .
4. ábra megoszlása pozitív töltés a rendszeren belül „fullerén + protonok” .Sleva jobbra: két, négy vagy hat protonok belsejében fullerén. Szín: az elosztási díj semleges (piros) kis pozitív (kék).
Ez akkor fordul elő, mert a behatoló belsejében a fullerén „labda” protonok késleltetik az elektron felhők szénatomok, ami egy újraelosztását töltés a „+ protonok fullerén” rendszer. A több proton hatol, annál több pozitív töltés a fullerén felületén, míg a protonok, éppen ellenkezőleg, egyre közelebb semleges értékre. Ez a minta vezethető a 4. ábrán, ha a protonok száma A gömb belsejében több, mint 4, válnak semleges (sárga-narancs), valamint, a felszínen a fullerén mindent erősebb „kék.”
Kezdetben számításokat végeztünk, csak a „fullerén protonok +” (hatása nélkül a más molekulák). De fullerén ketrecben nem vákuumban, hanem vizes közegben, tele a vegyületek sokaságát, a különböző mértékű komplexitás. Ezért, a következő lépésben a fizika szimuláció adunk a rendszerhez 47 vízmolekulák körülvevő fullerén, és ellenőrizni kell, hogy ha a jelenléte befolyásolja a kölcsönhatás protonok. Azonban a víz jelenlétében modell működött sikeresen.
A biológusok a feltételezést támasztják alá?
Hogy tanulmányozza az antioxidáns tulajdonságait fullerén, mi használt rendszer gyorstesztek alapján bakteriális bioluminescent bioszenzorok. A bioszenzorok ebben az esetben - a genetikailag módosított baktérium, amely képes növelni ROS és csapda „jel” intracelluláris generáció ezt a kutatók. Létrehozásakor bioszenzorok a genom egyik ártalmatlan Escherichia coli törzsek az Escherichia coli vezetünk mesterséges konstrukció, amely lumineszcencia gének (lumineszcencia) szállított szabályozása alatt promoterek - szabályozó elemek, „beleértve”, amikor: növeli az intracelluláris reaktív oxigén fajták, vagy a fellépés más stressz tényezők - mint például a DNS-károsodás. Meg kell kezdeni, hogy fellépjen a ketrec, így a stressz faktor - a baktérium kezd világítani, és a szintje a lumineszcencia lehetséges kellő pontossággal meghatározni a kár szintjét.
5. ábra izzó baktériumok egy Petri-csészébe (balra) és az elv a bioszenzorok (jobbra).
Az ilyen módosított törzsek kifejlesztett in Genetics Research Institute [19], és széles körben használják a genetikai toxikológiai [20] a tanulmány a hatásmechanizmusa sugárzás és oxidatív stresszt [21]. fellépés antioxidánsok (különösen, SkQ1 [22]), valamint, hogy megtalálják az új ígéretes antioxidáns vegyészek között szintetizált anyagok [23].
A mi esetünkben ez a használata egy bakteriális modell az alábbiak miatt: a baktériumok ismertek tartoznak a prokarióták és sejtek egyszerűbbek, mint az eukarióta. A végbemenő folyamatokat az mitokondriális membránjában eukarióták, prokarióták közvetlenül végrehajtott a sejtmembránban; Ebben az értelemben a baktériumok - „mitokondrium magukat.” (A meglepő hasonlóságot a szerkezet a organellumok baktériumok is szolgált idején az alapját az úgynevezett szimbiotikus elmélet eredetét eukarióták [24].) Ezért, a tanulmány a folyamatok zajlanak a mitokondriumokban, ez a modell jól alkalmazható.
Az első eredmények azt mutatták, hogy a vizes szuszpenzió a fullerén C60. hatékonyabb oldódást, ultrahanggal kezeljük, amikor hozzáadjuk a tenyészethez bioszenzorok növelték ellenállást DNS-károsodást reakcióképes oxigén okozza. A kár szintjét a kísérlet volt, 50-60% -kal alacsonyabb, mint a kontroll.
Továbbá, ez rögzítésre redukciójával spontán a szuperoxid gyökanion sejtekben SoxS-lux törzs C60 hozzáadásával szuszpenziót. A különlegessége ennek a törzsnek éppen a kapcsolat a szintje a ragyogás az összeg szuperoxid gyök. Ez az értelemben, hogy várható ható vegyület elve alapján „soft releasers” - ha csökkentett transzmembrán potenciál, és az AFC (különösen szuperoxid) fogják előállítani kisebb mennyiségben.
A kapott eredmények természetesen nagyon kezdeti, és a munka még folyamatban van, ezért a felirat ebben a szakaszban, és a kérdőjel. Az idő fogja megmondani, hogy mi is a helyébe ideje állandósult felkiáltás. Egy dolog világos - a közeljövőben fullerén elkerülhetetlenül a hangsúly a kutatócsoport tanulmányozza a problémát az öregedés és részt vesz a keresési geroprotektorov - anyagok, amelyek lassítják az öregedési folyamatot. És ki tudja, megállapítható, hogy ezek a kis „golyó” remény kiterjesztése olyan rövid az emberi élet?
Elvégzett munka a laboratóriumban kísérleti mutagenezis és Ipari Mikroorganizmusok SRI Laboratories SFedU biológia és REC „nanoméretű anyagok szerkezete” SFU Prof .. AV Soldatov. A fő eredmények a szimulációs rendszer „fullerén + protonok”, és a biológiai hatások leírása, illetve a papírok: