Материал о разработках сотрудников Института опубликован в газете "Поиск" № 3 от 20 января 2023 года: "Спасительный хаос. Как снизить токсичность противораковых препаратов" - интервью зав. лаб. биоактивных неорганических соединений д.х.н. М.А. Шестопалова. 

"Хаотропные вещества «предпочитают хаос» и стремятся его создать. В нашем случае речь идет о «хаосе», который эти агенты вносят в структуру белка или других молекул."


На медицинском рынке сегодня есть большое количество средств для лечения онкологических заболеваний. Но далеко не все они безвредны. Заведующий лабораторией биоактивных неорганических соединений, главный научный сотрудник, доктор химических наук Михаил ШЕСТОПАЛОВ из Института неорганической химии им. А.В.Николаева Сибирского отделения РАН вместе с коллегами старается сделать препараты для онкологии безопаснее. Тема его исследований «Хаотропный эффект металлокластерных наноионов для дизайна супрамолекулярных систем для применения в биологии и медицине» поддержана грантом Президента России. 

- Михаил, введите в курс дела: что это за эффект, которым вы занимаетесь? 
- Начну с истории. В 1888 году чешский ученый Франц Хофмейстер исследовал влияние различных солей на растворимость белков. Он обнаружил, что некоторые ионы, то есть положительно или отрицательно заряженные частицы, образующиеся при растворении солей в воде, повышают растворимость белков, а некоторые, наоборот, понижают. В качестве соли может служить даже обычная поваренная, хлорид натрия, она диссоциирует, то есть распадается, в воде на положительно заряженные ионы натрия и отрицательно заряженные ионы хлора. Хофмейстер расположил ионы в ряд (позже названный серией Хофмейстера) по увеличению их растворяющей способности. Ионы, повышающие растворимость белков, назвали хаотропными, а те, которые понижают, - космотропными. Например, одновалентный положительный ион натрия в этом ряду стоит раньше двухвалентного положительного иона кальция. Получается, ионы кальция более хаотропные, чем натрия. Термин «хаотропный» произошел от двух греческих слов: «хаос» - беспорядок, «тропность» - сродство, привязанность. Таким образом, хаотропные вещества или агенты «предпочитают хаос» и стремятся его создать. В нашем случае речь идет о «хаосе», который эти агенты вносят в структуру белка или других молекул. Как они действуют? Разрушают слабые межмолекулярные взаимодействия, например, водородные связи, и делают более хаотичной структуру крупных молекул, тем самым повышая их растворимость. Термин «космотропный» противоположен понятию «хаотропный» и означает «предпочитающий порядок» («космос» по-древнегречески - «порядок»). Однако кроме обычных ионов существует более сложный класс соединений, содержащих большее число ионов, в том числе металла. Это так называемые наноионы. К ним относятся металлокластеры. Так вот оказалось, что металлокластерные нано ионы обладают более выраженным хаотропным эффектом, нежели простые ионы, то есть способны сильнее разрушать структуру белковых и других молекул. Такой эффект можно назвать суперхаотропным. В наших исследованиях мы детально изучаем зависимость хаотропного эффекта от состава кластеров.

- Это и есть супрамолекулярные системы, которые обозначены в теме вашей работы?
- Да. Это объект исследований нашей молодежной группы под руководством старшего научного сотрудника, кандидата химических наук Антона Андреевича Иванова. Кстати, «супра» с латинского означает «над». Химия таких надмолекулярных систем изучает взаимодействие различных молекул друг с другом без образования прямой химической связи. Это чем-то напоминает конструктор Lego, когда кирпичики (молекулы) связываются друг с другом и держатся вместе не за счет клея, а за счет особенностей своей структуры. Яркий пример в природе - молекула ДНК, состоящая из двух цепочек, связанных между собой водородными связями, то есть ДНК можно назвать в каком-то смысле супрамолекулярной системой. Такие системы имеют важнейшее значение в биологии, медицине, химической промышленности. Например, супрамолекулярные подходы позволяют получить лекарства пролонгированного действия (например, «Брексин», он же «Пироксикам», витамины «МицелВит»), улучшить усвояемость, растворимость, адресность активных соединений. Многие сенсорные системы-тесты, или биочипы, используемые при различных заболеваниях, таких как рак, коронавирусные инфекции, СПИД, основаны на супрамолекулярных системах.

- Как происходит разработка дизайна супрамолекулярных систем?
- Создание таких систем - интересная и нетривиальная задача. Внешне это выглядит как смешивание двух или более растворов. Часто кажется, что ничего при этом не происходит. Но на самом деле полученные растворы имеют более выраженные и иногда неожиданные свойства. Простой пример из быта - хорошо известная многим женщинам мицеллярная вода. Это супрамолекулярная система, состоящая из воды и специального мыла - поверхностно-активного вещества (ПАВ). Такой раствор образует супрамолекулярную структуру - мицеллы. Происходит это в конкретных условиях: при определенной концентрации, то есть соотношении ПАВ - вода, а также при наличии или отсутствии каких-то других веществ, мешающих или помогающих образованию мицелл. Как только мы добавляем к мицеллам что-то, они могут разрушиться. Поэтому условия, например, концентрации для каждой индивидуальной системы, необходимо подбирать отдельно. Это и называется «дизайн эксперимента». Его основной принцип основан на сочетаемости элементов на молекулярном уровне. Это так же, как, например, при выборе одежды для создания образа. Есть вещи, которые сочетаются, например, по цвету, и их можно надевать вместе. Классическая комбинация - белый верх - черный низ. Так же и в супрамолекулярной химии. Некоторые соединения сочетаются и позволяют создавать супрамолекулярные системы, а некоторые - нет. Хаотропный эффект, о котором я рассказал, играет одну из ключевых ролей в направленном дизайне таких систем. Коллектив нашей лаборатории разработал несколько десятков различных систем.

- Каким образом результаты вашей работы можно применить в медицине?
- Основная идея наших исследований - снижение общего негативного действия на живой организм агентов, обладающих противораковой активностью. Мы пытаемся получить системы, сохраняющие противораковые свойства, но при этом не наносящие вреда здоровым тканям человека. Это очень сложная и трудоемкая задача, с работой сразу в нескольких областях науки - химии, биологии, медицине. Поэтому исследования проводим совместно со специалистами в этих направлениях, с использованием современного оборудования как нашей лаборатории, так и коллег из учреждений здравоохранения. К работам привлекаем и состоявшихся ученых, и молодые кадры - студентов и аспирантов Новосибирского государственного университета. Молодежь можно назвать «руками» проекта, в то время как старшие коллеги в основном играют роль «мозгового центра». Такого рода исследования практически невозможно выполнить собственными силами. Мы стараемся взаимодействовать с организациями как в России, так и за рубежом. Хотелось бы отметить, что, несмотря на сложную ситуацию на геополитической арене, многие иностранные ученые, в том числе из Евросоюза, продолжают сотрудничать с нами по мере их возможностей.

- Какие результаты уже есть в активе?
- Нам удалось достичь снижения общей токсичности некоторых перспективных, на наш взгляд, противораковых препаратов. Однако разработки все еще ведутся, и говорить о готовом лекарственном средстве очень рано. Тем не менее вдохновляющие результаты есть. Об удачном ходе экспериментов в целом можно судить по научным статьям нашей лаборатории. Например, это работа, выполненная в рамках нынешнего проекта и опубликованная в высокорейтинговом журнале Inorganic Chemistry ACS («Неорганическая химия», Американское химическое сообщество).

- Насколько трудно сейчас опубликоваться в престижных зарубежных журналах?
- Подавляющее большинство наших работ нашло отражение в престижных международных изданиях. Безусловно, может показаться, что опубликовать работы в зарубежных журналах, особенно в свете текущих событий, практически невозможно. Да, такая проблема периодически возникает, но большинство научных изданий придерживается принципа «наука вне политики».

Фирюза ЯНЧИЛИНА

"Поиск" - еженедельная газета научного сообщества

Материалы о разработках сотрудников Института представлены в онлайн журнале о науке и энергетике ЭНЕРГИЯ +. Ссылка на статью

 
 

В Институте неорганической химии Сибирского отделения РАН (ИНХ СО РАН) предложили использовать в качестве анода в натрий-ионных аккумуляторах углеродные бромированные нанохорны — полые структуры из листов графена конической формы. Добавление брома к нанохорнам на 20% увеличивает емкость хранения натрия, который переносит заряд энергии.

Натрий-ионные аккумуляторы считаются перспективной заменой современных литий-ионных батарей. Они дешевле, обладают высокой скоростью зарядки, сохраняют почти в два раза больше емкости при низкой температуре и более безопасны. Принцип их устройства аналогичен литиевым. В процессе заряда натрий выходит из катодного материала и внедряется в материал анода. При разряде ионы натрия покидают анод, генерируя электроны, то есть ток для питания внешнего устройства. От свойств материалов катода и анода зависят ключевые параметры всей батареи.

Нанохорны, предложенные сибирскими учеными как материал для анода, за счет большой удельной площади и дефектов при изгибах графеновой сетки хорошо поглощают натрий. Электроотрицательный бром, пары которого взаимодействуют с изогнутыми графеновыми стенками, повышает их способность поглощать натрий, и соответственно, емкость аккумулятора.

«Мы выяснили, что бромированные углеродные нанохорны способны хранить на 20% больше натрия, чем исходные. Предложенный нами подход может быть применен и для других углеродных наноматериалов для их использования в конденсаторах и батарейках, а также для поглощения ионов металлов», — объясняет сотрудник ИНХ СО РАН, кандидат химических наук Светлана Столярова.

Опубликовано 

14 июля 2022

 

Материалы о разработках сотрудников Института представлены в видеосюжете ГТРК Вести Новосибирск. "Определить астму или надвигающийся кашель по одному выдоху: новосибирские химики работают над созданием диагностических сенсоров для болезней легких."

ГТРК Вести Новосибирск, 07.07.2022

Российский научный фонд поддержал исследование грантом. Мы не будем первыми в мире, но стать первыми в России есть все шансы, говорят новосибирские химики. Они работают над созданием нового типа сенсоров, способных по выдоху определить болезни легких. Западный аналог стоит не меньше пяти тысяч долларов. На порядок доступнее ученые планируют сделать отечественную разработку.

"Известно, что возможно детектировать заболевания по анализу выдыхаемого воздуха и его конденсата и определять в нем наличие специфических биомаркеров. В нашем случае речь идет об оксидах азота как биомаркерах бронхолегочных заболеваний ─ астмы и хронического кашля", ─ сообщила научный сотрудник Института неорганической химии СО РАН Светлана Доровских. 

Оксид азота сигнализирует о воспалительном процессе в организме. Суперсвойство сенсора ─ улавливать его мельчайшие частицы, а значит, выявить болезнь на ранней стадии, что позволит предотвратить ее хроническое течение и дорогостоящую терапию. По задумке ученых, сенсоры должны определять искомые частицы как в выдыхаемом воздухе, так и в слюне.

По словам научного сотрудника Института неорганической химии СО РАН Дарьи Клямер, необходимо сочетание газовых и электрохимических сенсоров, чтобы определить точное содержание оксида в организме. 

Какие соединения более эффективны? Можно ли заменить золото другим, более доступным драгметаллом? Исследователи экспериментируют с компонентами. На данном этапе ученые ведут поиск оптимального состава материала для чувствительного сенсора. Но уже можно пофантазировать, каким будет прототип действующего устройства. Предположительно, это будет небольшой прибор, в который нужно подышать, и он выдаст результат за несколько минут. 

Цель ученых ─ создать диагностические сенсоры, максимально доступные и локализованные в России. Чтобы сделать шаг к выходу на рынок, необходим интерес со стороны инвесторов или бизнес-партнеров.

 
Автор: Олеся Герасименко.

"Ученые выяснили, что можно использовать в качестве анодов в натрий-ионных аккумуляторах" - такой материал опубликован в разделе "Новости и анонсы" официального сайта Минобрнауки РФ. Коллектив ученых, в который вошли специалисты Института неорганической химии (ИНХ) им. А.В. Николаева Сибирского отделения РАН, предложили использовать углеродные нанохорны в качестве одного из электродов (анода) в натрий-ионных аккумуляторах. Электронное состояние углеродных нанохорнов можно модифицировать электроотрицательным бромом. Бромированные углеродные нанохорны способны хранить на 20% больше натрия, чем исходные. Фундаментальное исследование ученых позволит создать энергоемкие натрий-ионные аккумуляторы, которые заменят более дорогие литий-ионные. 

Посмотреть на сайте Минобрнауки РФ

Постоянно растущие потребности человечества в портативных электроустройствах (от смартфонов до газонокосилок) и электротранспорте увеличивают спрос на электрохимические накопители энергии. Среди них наиболее широко используются аккумуляторы, которые отличаются от первичных батарей возможностью многократной перезарядки без значительных потерь емкости и времени работы.

Литий-ионные аккумуляторы (ЛИА), которые были выпущены на рынок в 1991 году, быстро потеснили другие химические источники тока. Рынок сбыта аккумуляторов постоянно растет, но так же, из-за его ограниченных запасов, увеличивается и цена на литий — ключевой материал, используемый в ЛИА. В настоящее время не существует аналогов ЛИА с большим временем жизни (больше 3000-10000 циклов заряда-разряда) и высокой плотностью энергии около 265 Вт•ч/кг.

Альтернативными и более дешевыми аналогами ЛИА могут стать натрий-ионные аккумуляторы (НИА). НИА обладают высокой скоростью зарядки, сохраняют на 90% больше емкости при низкой температуре (что актуально для северных и сибирских регионов России), более безопасны и совместимы с устройствами, которые работают на ЛИА, где предусмотрено питание на 3.7В.

Принципы устройства и функционирования натрий-ионных аккумуляторов аналогичны ЛИА: в обоих случаях накопление энергии происходит в результате переноса ионов щелочного металла из материала электрода (анода) в материал катода.

В любой вторичной батарейке есть два электрода, материалы которых должны обратимо внедрять с ионом натрия. В процессе заряда аккумулятора натрий выходит из катодного материала и внедряется в  материал анода. При разряде ионы натрия будут покидать анод с генерацией электронов, т.е. ток для питания внешнего устройства. Разработка новых эффективных анодных материалов считается одной из проблем, которую необходимо решить для создания натрий-ионных аккумуляторов. 

В своем исследовании ученые впервые изучили возможность использования углеродных нанохорнов в качестве анодного материала натрий-ионных аккумуляторов. Они представляют собой полые углеродные капсулы с коническими крышками. Нанохорны обладают высокой удельной площадью поверхности, доступной для адсорбции натрия, а дефекты, формирующиеся при изгибах графеновой сетки, создают дополнительные адсорбционные места.

Ученые показали, что электронное состояние поверхности нанохорнов можно модифицировать при добавлении электроотрицательного брома, пары которого взаимодействуют с изогнутыми графеновыми стенками при комнатной температуре. Добавка всего 5 ат.% брома к нанохорнам оказала положительный эффект на адсорбцию натрия.

«Мы выяснили, что бромированные углеродные нанохорны способны хранить на 20% натрия больше, чем исходные. Предложенный в работе подход может быть применен и для других углеродных наноматериалов с целью их использования в конденсаторах и батарейках, а также для сорбции ионов металлов», — рассказала кандидат химических наук Светлана Столярова.

По словам Светланы Столяровой, для реального производства таких аккумуляторов в дальнейшем необходимы крупномасштабные научно-практические исследования с изучением и подбором всех составляющих аккумулятора — электролита, сепаратора, материалов катода и анода — инженерных решений по созданию электрохимической ячейки и в конечном итоге разработки технологии сборки и производства аккумулятора.

Научное исследование выполнено при финансовой поддержке проекта РНФ №19-73-10068 и Министерства науки и высшего образования Российской Федерации №121031700314-5. Научная статья опубликована в журнале Applied Surface Science (Q1).