Химики МГУ имени М. В. Ломоносова предложили новый способ получения нанозимов — наночастиц, имитирующих природные ферменты — с ультравысокой пероксидазной активностью. Синтезированные ученым частицы оказались в 200 раз эффективнее природного фермента, выполняющего ту же функцию. Реакция ляжет в основу создания сенсоров и биосенсоров для мониторинга концентрации продуктов обмена веществ и поможет отследить нарушения кислородного обмена в клетках.
Перекись водорода — химически очень активное соединение с крайне широкой сферой применения. С ее помощью производят пенистые материалы, обесцвечивают ткани и волосы, обеззараживают раны и сточные воды. При этом Н2О2 взаимодействует с клетками и разрушает их, что травматично для крупных организмов и губительно для микроскопических. Перекись водорода попадает в живых существ не только извне — она образуется при разных патологических процессах, например нарушениях кислородного обмена. Поэтому так важно уметь точно определять ее содержание в образцах.
Для точной детекции пероксида водорода можно использовать биосенсорные устройства на основе пероксидазы — природного фермента, который обеспечивает защиту от разрушительной активности Н2О2 в живых организмах. В ходе химической реакции восстановления он превращает перекись в безопасную воду, перенося на нее электроны с какого-либо другого соединения. В аналитике таким веществом-донором служат молекулы, которые в обычной форме неокрашены, но после потери электронов приобретают цвет — по его насыщенности можно определить концентрацию Н2О2.
«Природные ферменты сложно превзойти, однако получать их непосредственно из клеток может быть дорого и сложно, а кроме того, важно хорошо очистить продукт и не потерять его активность вне живой системы. Поэтому в 1965 году в качестве альтернативы появились частицы со сходными свойствами — искусственные ферменты. Несмотря на несколько десятилетий исследований в этой сфере, оптимальное для биосенсорики решение было предложено только в 2004 году группой профессора Скримина. Ученые продемонстрировали высокую ферментативную активность неорганических наночастиц — нанозимов. Но здесь мы сталкиваемся с тем, что свойства получаемых веществ сильно зависят от условий синтеза», — рассказала Мария Комкова, кандидат химических наук, старший научный сотрудник НИЛ электрохимических методов химического факультета МГУ имени М. В. Ломоносова.
Ученые МГУ предложили новый способ синтеза нанозимов на основе берлинской лазури — доступного синего пигмента, который чрезвычайно чувствителен к перекиси водорода. Суть подхода заключается в том, что водный раствор солей, необходимых для получения искусственных ферментов, непрерывно пропускают через специальную проточную ячейку — небольшой резервуар с электродами, на которых протекает электрохимический синтез. В итоге электроды покрываются крошечными частичками берлинской лазури, которые смываются потоком и выводятся с ним из ячейки. Иными словами, ученым удалось адаптировать подходы к наноструктурированию материала на поверхности электрода и получить взвеси отдельных наночастиц, которые к тому же продемонстрировали отличные каталитические свойства.
«Мы применили подходы ферментативной кинетики к исследованию активности наших нанозимов. Оказалось, что изготовленные новым способом частицы превосходят природную пероксидазу по эффективности катализа в 200 раз. Мы надеемся, что наш способ поможет изменить современную биоаналитику. Эти нанозимы стабильны и очень активны, а их размер можно менять, выбирая компонентный состав раствора для синтеза и прикладываемое напряжение. Это позволяет применять в биосенсорной практике как отдельные наноструктуры, так и покрытия на их основе. В результате можно использовать нанозимы для клеточных исследований и для промышленного производства биосенсоров. В дальнейшем мы планируем протестировать наши наночастицы для снижения концентрации активных форм кислорода непосредственно внутри клеток», — подвела итог Мария Комкова.
Предложенный электрохимический подход может быть адаптирован для получения функциональных наноматериалов на основе проводящих и электроактивных полимеров. Результаты работы, поддержанной грантом Российского научного фонда, опубликованы в научном журнале Dalton Transactions.