Чудеса химии: как с помощью света лечить болезни и ремонтировать автомобили
Фото: Volha_R/Shutterstock/Fotodom
Когда появится альтернатива антибиотикам? Что такое самовосстанавливающиеся материалы? Зачем молекулам моторчики? Как стать здоровым и при том не ходить по врачам?
Эти и другие темы в программе «Время науки» на Радио “Комсомольская правда” (97,2 FM) обсуждали:
- радиожурналист Мария Баченина,
- академик РАН Александр Сергеев, научный руководитель Национального центра физики и математики (НЦФМ),
- их гость – Юлия Горбунова, академик РАН, профессор РАН, исполняющий обязанности декана факультета фундаментальной физико-химической инженерии МГУ имени Ломоносова, вице-президент Российского химического общества имени Менделеева.
ГЛАВНОЕ ЧУДО НАУКИ - УБЕРЕЧЬ И НАКОРМИТЬ 10 МИЛЛИАРДОВ ЖИТЕЛЕЙ ПЛАНЕТЫ
Александр Сергеев:
- Готовясь к передаче, я посмотрел афоризмы выдающихся людей о химии и с удивлением обнаружил, что наиболее интересно высказался Максим Горький. Он сказал: «Химия – это область чудес. В ней скрыто счастье человечества, величайшие завоевания разума будут сделаны именно в этой области».
Мария Баченина:
- Какие задачи сейчас стоят перед современными химиками? Какие чудеса мы от нее ждем?
Юлия Горбунова:
- На самом деле это вопрос, на который в целом отвечает наука. Любая. Не только химия. Наука пытается отвечать на вызовы времени. И главный вызов, заключается в том, что население Земли неумолимо растет. В 1900 году на планете жил 1 миллиард людей, а сейчас уже 8 миллиардов, а скоро будет 10. И людям нужно комфортно жить, есть здоровую пищу, пить чистую воду, а чтобы обеспечить этот уровень жизни ученым надо создавать новые материалы и придумывать новую энергетику. И практически любая из этих областей связана с химией. Потому что здоровая еда - это правильные удобрения, которые подходят под конкретные почвы, под конкретный климат. Новая энергетика (например, создание литий-ионных батарей) перевернуло наш мир, потому что мы перешли от стационарных телефонов к мобильным устройствам, которые позволяют нам быть всегда на связи, где бы мы ни находились.
Лечение тех или иных болезней, борьба с пандемиями, диагностика заболеваний — все это все связано с химией. Другой вызов современного мира — это безопасность, способность в условиях террористических угроз сохранять мир открытым. Разработка сенсоров, которые могут улавливать буквально следы взрывчатых веществ, это тоже химия. То есть практически все современные вызовы, так или иначе связаны с пониманием того, какие нужны материалы, какая нужна химия для того, чтобы решить ту или иную задачу.
ЗА КАКОЕ ВОЛШЕБСТВО ДАЛИ НОБЕЛЯ ПО ХИМИИ В 2016 ГОДУ
Александр Сергеев:
- То есть, прав был Горький, когда сказал, что в химии скрыто будущее счастье человечества. Юлия Германовна, а вас какие чудеса в химии привлекают?
Юлия Горбунова:
- Вообще, химия – это волшебство. Как с помощью простых внешних воздействий изменить свойства вещества? Заставить молекулы двигаться или изменять свой цвет. Очень интересная область - это умные материалы. Когда вы, например, разрезаете полимер ножницами, а затем берете в руки и за счет тепла вашего тела, эластичность этого полимера восстанавливается. Он становится таким же, каким был.
Мария Баченина:
- Ну, то есть, это пластилин. Ты берешь в руку, разогреваешь его и он становится пластичным.
Юлия Горбунова:
- Пластилин вы, конечно, тоже можете склеить, но дальше он снова разорвется. А в случае с полимером это нечто другое. Допустим, вы поцарапали свой автомобиль. Затем берете светодиод, светите на эту царапину, и она исчезает.
Мария Баченина:
- Но это, наверное, далекое будущее…
Юлия Горбунова:
- Нет, это уже настоящее, такие технологии в Японии, например, уже работают. Если вы поцарапали гаджет, есть специальные полимеры, которые под воздействием света начинают движение и восстанавливают поврежденную поверхность. На самом деле сейчас свет очень сильно меняет картину вообще науки и медицины, и химии, в том числе.
Александр Сергеев:
- Вы говорите про фотопереключатели, да?
Юлия Горбунова:
- Да, они в основном переключаются светом той или иной волны, а могут переключаться температурой, или изменением РН (степень кислотности среды - Ред).
Мария Баченина:
- А что такое переключатель?
Юлия Горбунова:
- Переключатель – это когда вы какое-то свойство можете поменять, воздействуя на вещество, например, светом, или температурой.
ПОЧЕМУ ЛЮДИ НЕ ВИДЯТ В ТЕМНОТЕ?
Александр Сергеев:
- Предположим, у молекулы есть такое состояние, а может быть другое состояние. И оба они устойчивые.
Юлия Горбунова:
- Да, это разные состояния. За это открытие молекулярных переключателей, когда определенные свойства могут обратимо меняться туда-сюда много раз в зависимости от подачи энергии извне, в 2016 году трое ученых - Соваж, Стоддарт и Феринга - разделили Нобелевскую премию по химии.
Александр Сергеев:
- И можно переключать светом много раз, да?
Юлия Горбунова:
- Самый простой пример - это наши фотохромные солнцезащитные очки. Там есть вещество, которое темнеет, когда светит яркое солнце. Когда выходит тучка, ваши очки просветляются. И наоборот. Когда светит солнце, когда появляется ультрафиолет, линзы снова становятся темными. А вообще наш организм – это большая химическая фабрика, в которой работает огромное количество переключателей, срабатывающих на малейшие изменения. И именно так, например, работает наше зрение. Мы друг друга видим, потому что происходит фотохимическая реакция. Кстати, вы никогда не задавали себе вопрос: почему человек не видит в темноте?
Мария Баченина:
- Нет, не задавала.
Юлия Горбунова:
- Потому что нет того самого света, который запускает вот эту химическую реакцию.
Академик Горбунова рассказала о возможной альтернативе антибиотикам
Фото: "КП" Архив.
ПЕРСОНАЛИЗИРОВАННАЯ МЕДИЦИНА И ДИАГНОСТИКА НА ДОМУ
Александр Сергеев:
- Но мы чудеса обсуждаем. А что величайшего из завоеваний разума надо жать именно в области химии?
Юлия Горбунова:
- Когда я была в пятом классе, мы писала сочинение «Каким ты видишь 2000-й год?». Все мои одноклассники написали, что люди будут туристами летать в космос, наступит коммунизм, изобретут лекарство от рака и тому подобное. А я написала, что изобретут телефон, разговаривая по которому, можно будет видеть собеседника. И мои одноклассники надо мной смеялись. Сейчас, когда я рассказываю эту историю школьникам, надо мной смеются сегодняшние дети, потому что для них это не фантастика - они уже родились с такой технологией. Вот мне кажется, что лучше всего на вопросы о чудесах могут ответить дети, их мысль летит свободно. Я, имея за плечами сегодняшний багаж, думаю, что будущее за персонализированной медициной, которая будет направлена на увеличение продолжительности и улучшение качества жизни человека. И мне кажется, что через какое-то время мы перенесем бОльшую часть диагностики домой. Будут носимые устройства, как сейчас часы, которые будут ставить нам диагнозы, а врачи дистанционно назначать лечение.
Мария Баченина:
- А как ученые изобретают? Откуда приходят идеи?
Юлия Горбунова:
- Изначально люди всегда подсматривали у природы, она многие процессы делает очень эффективно. Тот же самый фотосинтез. Если посмотреть первые Нобелевские премии, то многие из них были за открытие структуры хлорофилла, структуры гема, за работу ферментов. То есть, ученые учились у природы. Но сегодня жизнь очень сильно изменилась. Образовались огромные базы данных зависимостей свойств молекулы от их структуры. Как выглядит молекула, из каких она состоит фрагментов и какая биологическая активность этой молекуле свойственна? И наличие такого большого объема информации, плюс гигантское развитие вычислительных методов…
Александр Сергеев:
- И искусственного интеллекта.
Юлия Горбунова:
- Совершенно верно — все это привело к развитию такого направления в химии, как хемоинформатика, и применению искусственного интеллекта к предсказанию свойств новых материалов.
Последние лет 20 большая фарма перестала перебирать соединения. Она предсказывает, исходя из этих данных. А каким образом? Любую молекулу, как конструктор, можно разобрать на составляющие. Сколько там атомов и каких? Как они друг с другом соединены? Есть ли там углерод/кислород, углерод/азот. Дальше это все заносится в некую систему, которая самообучается, а затем мы говорим – нам нужно получить молекулу с такой температурой плавления, или с такой противовоспалительной активностью.
НЕЛЕГКАЯ СУДЬБА СОЗДАТЕЛЕЙ НОВЫХ ЛЕКАРСТВ
Мария Баченина:
- И искусственный интеллект вам говорит – смешайте столько-то граммов сушеных лягушачьих лапок с ртутью…
Юлия Горбунова:
- Нет, нам рисуют молекулу.
Александр Сергеев:
- А как ее получить, вы должны сами додуматься?
Юлия Горбунова:
- Сейчас подходы к синтезу тоже может предсказать искусственный интеллект. А дальше играет роль то самое искусство химика, которое есть на кончиках пальцев у блестящего химика-синтетика, его к сожалению или к счастью, робототехника не может заменить. Вообще, о химии проще всего объяснять на примере лекарств. Когда ко мне в лабораторию приходят студенты первого курса, первый вопрос, который они задают: «А будем ли мы делать новые лекарства»? В новых лекарствах есть несколько категорий. Даже если мы говорим о дженериках (это повторение уже существующих технологий производства лекарств), это очень непростая вещь.Потому что инженерам технологам нужно воспроизвести эту технологию.
Но гораздо сложнее придумать новую молекулу, найти новую формулу, понять, для чего она будет работать. Затем пройти клеточные испытания, испытания на животных, клинические исследования - очень многие лекарства не проходят эту последнюю стадию из-за побочных эффектов. И в конце этого долгого пути выясняется, что из десятков тысяч молекул могут «выстрелить» одна-две. Поэтому я всегда студентам говорю: это очень здорово, что вы хотите заниматься новыми лекарствами, но вы готовы к такому риску? Вы будете работать 10 лет, потратите большую часть жизни на соединение, которое кажется перспективным, а потом вам скажут – нет, мы ваше лекарство не берем в клинику. Тем не менее, так работает большая фарма.
ЗАЖЕЧЬ ОНКОЛОГИИ КРАСНЫЙ СВЕТ
Мария Баченина:
- А когда появится альтернатива антибиотикам?
Юлия Горбунова:
- Антибиотикорезистентность – это еще один из вызовов на который ученым необходимо найти ответ. В чем проблема? Во-первых, за последние несколько десятков лет новые антибиотики не были синтезированы. А во-вторых, бактерии учатся всяческими способами противостоять антибиотикам. Мы уже говорили про световые технологии, и вот они сегодня начинают играть решающую роль. В качестве альтернативы могут выступать молекулы, мы их называем фотосенсибилизаторы, они могут поглощать свет…
Мария Баченина:
- Вот здесь я не понимаю…
Юлия Горбунова:
- Ну, смотрите. Вы знаете, что такое фотосинтез? Хлорофилл зеленых растений поглощает солнечный свет, питается за счет него, а заодно превращает углекислый газ в кислород. Здесь принцип схожий. Свет – это энергия. Молекула поглощает энергию. И дальше эта энергия может во что-то превращаться. Она может превратиться в тепло - молекула разогреется. Она может превратиться в свет – молекула начнет светиться. А еще эта энергия может передаваться каким-то малым молекулам. Например, у нас с вами в организме есть кислород, и энергия, передаваясь от нашей молекулы кислороду, делает кислород синглетным. Это такое энергетическое состояние кислорода, в котором его свойства, как окислителя очень сильно увеличиваются. И фактически он сжигает все, что вокруг него. Представляете, как это можно использовать? Вам надо убить нехорошую онкологическую клетку или бактерию. Вы разрабатываете дизайн молекулы, чтобы она либо накопилась избирательно в раковых клетках, либо нашла ту самую бактерию. И дальше, посветив светом определенной волны, вы фактически эти активные формы кислорода начинаете генерировать – им все равно, что убивать – и в данной ситуации их цель бактерия, которая от этого не может защититься.
Мария Баченина:
- То есть, активный кислород в организме – это оружие против нашего же врага?
Юлия Горбунова:
- Конечно, он может стать и оружием для здоровых клеток. Поэтому ученые бьются за селективность этого процесса. А еще сейчас фотодинамическая терапия, находит все больше применения в косметологии. Делают всевозможные полимерные патчи (косметологические наклейки для ухода за кожей лица) с фотоактивными веществами. На проблемные участки накладываются такие патчи, через которые проникает свет, туда добавляется фотосенсибилизатор и это используется для заживления ран или омоложения кожи. Кстати, если про медицину развивать - помните, я говорила про Нобелевских лауреатов по химии 2016 года? Один из лауреатов Бернард Феринга еще делает роторы – молекулы, которые могут вращаться под действием света. Свет выключаешь, и они перестают двигаться. И что делает Феринга в своей научной группе? Он пришивает к этому мотору некую молекулу, которая может оказывать лекарственное действие. Например, бороться с онкологией или еще что-то.
Мария Баченина:
- Молекула с моторчиком, получается.
Юлия Горбунова:
- Да. А дальше, когда ты доставляешь эту молекулу по нужному адресу, включаешь свет, молекула начинает крутиться и оттуда выходит вещество, которое лечит. Таким образом, вы проводите дозированное лечение.
Александр Сергеев:
- То есть, это такие фотосенсибилизаторы, которые переносятся молекулярными моторами и включаются при воздействии света?
Юлия Горбунова:
- Да.
Мария Баченина:
- А антибиотики и фотосенсибилизаторы - эти направления будут развиваться параллельно, или что-то победит в будущем?
Юлия Горбунова:
- Вообще сейчас очень много работ посвящено разработке так называемых гибридных молекул. Мы уже привыкли, что наш телефон это и фотоаппарат, а еще мы его, как телевизор смотрим, и поговорить можем. Так же и в химии пытаются усложнять - получать многофункциональные молекулы. Даже появилась новая наука, называется тераностика. Когда одной и той же молекулой можно и диагностировать какое-то заболевание, и этой же молекулой лечить. И вот здесь тоже используется переключаемость. Допустим, вы в одной молекуле соединяете два фрагмента, один позволяет делать магнитную томографию. А другой фрагмент — это фотосенсибилизатор. Вы ввели эту молекулу в организм, магнитным полем подействовали - провели диагностику, нашли уязвимость. Затем включили свет, – убили эту клетку. На мой взгляд будущее вот за такими полифункциональными молекулами.