Лазерный мир

Обычно ферменты, эти природные ускорители химических превращений, капризны: стоит поднять температуру выше пятидесяти градусов, и их структура распадается, активность теряется. Но что, если тепло — единственный способ запустить реакцию, а источник тепла находится на расстоянии и управляется светом? Именно эту задачу решили исследователи из Научно-технологического университета «Сириус» и Московского физико-технического института.

Наночастицы

Они создали материал, в котором фермент не просто переживает нагрев, а начинает работать в девять раз быстрее, когда на него направляют инфракрасный лазер. Результаты работы, поддержанной грантом Российского научного фонда, опубликованы в журнале Chemical Engineering Journal.

Керамическая защита и золотой ключ

В основе конструкции лежат три компонента: фермент карбоангидраза, золотые наночастицы в форме полых сфер и пористая матрица из оксида алюминия. Выбор фермента случаен не был: карбоангидраза участвует в клеточном дыхании, ускоряя превращение углекислого газа, и ее активность легко измерить по изменению цвета раствора.

Этот фермент вместе с наночастицами «заперли» внутри керамической капсулы. Оксид алюминия здесь выполняет роль защитной оболочки, подобно пористой скорлупе, которая не дает содержимому разрушиться, но пропускает молекулы реагентов.

Ключевую роль играет золото. Золотые наночастицы поглощают инфракрасное излучение и преобразуют его в тепло. В обычной среде это тепло мгновенно денатурирует белок, но в керамической матрице структура фермента стабилизируется. Ученые доказали это экспериментально: при нагреве в водяной бане до 70°C свободный фермент сворачивался и терял активность, тогда как фермент в капсуле сохранял форму.

Измеримые границы эффекта

Чтобы понять пределы этого «защитного» свойства, исследователи использовали дифференциальную сканирующую калориметрию — метод, фиксирующий изменения структуры при нагреве. Для свободного фермента точка необратимой потери свойств составляла 67°C.

В матрице из оксида алюминия без золота этот порог сместился до 103°C, а при добавлении золотых наночастиц составил 96°C. Для сравнения: большинство биологических катализаторов разрушаются уже при 50-60°C. Таким образом, новая конструкция значительно расширяет температурный диапазон, в котором фермент остается работоспособным.

Главный результат — кинетический. Когда на материал с ферментом и золотыми наночастицами (их доля составляла всего 0,5% от массы, что делает систему экономичной) направили инфракрасный лазер, скорость реакции выросла в девять раз по сравнению с чистым ферментом вне капсулы. Материал выдержал 11 циклов нагрева и охлаждения без потери активности, что подтверждает возможность многократного использования.

От лаборатории к медицине

Используемые материалы — оксид алюминия и золото — биосовместимы и уже применяются в медицинской практике. Инфракрасный свет выбран не случайно: он хорошо проникает через ткани организма. Руководитель проекта Андрей Дроздов, кандидат химических наук и старший научный сотрудник Научного центра генетики и наук о жизни «Сириуса», отмечает, что концепция имеет потенциал в «зеленых» технологиях, например, для улавливания углекислого газа, и в биотехнологии.

В перспективе такой подход может позволить запускать химические реакции прямо внутри организма, например, для терапии опухолей: сначала наносят материал с ферментом и золотом, затем направляют лазер, активируя нужную реакцию локально. Однако важно отметить, что на текущем этапе это лабораторная разработка.

Для медицинского применения необходимо решить вопросы точной доставки материала к клеткам, его поведения в живой среде и строгого контроля температуры, чтобы избежать ожогов и некроза тканей.

Автор Коробов Михаил Александрович (родился 15 января 2002) — внештатный корреспондент Pravda. Ru.

Куратор Белов Сергей Николаевич — историк науки с 27-летним стажем. Изучает развитие научных идей, ин

Источник: https://www.pravda.ru/news/science/2433312-enzymes-gold-nanoparticles-laser-activation/