Исследователи из Института общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН и Института теоретической и экспериментальной биофизики РАН впервые получили неорганические аналоги природных энзимов на основе наночастиц диоксида церия и яблочной кислоты. Результаты работы опубликованы в международном журнале Nanomaterials. Исследования выполнены при поддержке Российского научного фонда (проект № 24-13-00370).
Хорошо известно, что белки являются основой жизни. Благодаря белкам живые организмы дышат, запасают энергию, усваивают информацию, защищаются от враждебной окружающей среды. Одной из наиболее важных функций, которые выполняют белки, является катализ биохимических превращений – такие белки выделяют в отдельные классы ферментов (иначе называемых энзимами), которые участвуют в расщеплении или синтезе сложных молекул, в процессах внутриклеточного дыхания, энергетического обмена и многих других. К настоящему времени известны многие тысячи белков-энзимов, каждый из которых выполняет свою уникальную функцию в живых системах.
Сравнительно недавно обнаружилось, что не только белки могут катализировать биохимические процессы – схожие функции могут выполнять и ультрамалые частицы неорганических веществ, например, наночастицы благородных металлов (серебра, золота), оксидов переходных и редкоземельных элементов (железа, титана, церия). Такие «неживые» катализаторы называют нанозимами, сокращенно от «нано»частица и эн«зим». Нанозимы обладают набором особенностей, отличающих их от классических энзимов – они намного более устойчивы к нагреванию, сохраняют каталитическую активность в сильнокислых или сильнощелочных средах, однако обладают на порядки меньшей селективностью и активностью, чем их белковые прототипы. Интерес к нанозимам крайне высок – это связано, прежде всего, с их низкой стоимостью по сравнению с белками и возможностью их масштабируемого производства.
Нанозимы крайне перспективны для создания современных фармацевтических препаратов, поэтому важно, чтобы все их компоненты были биосовместимы и не оказывали токсического действия по отношению к клеткам и тканям живых организмов. Одним из наиболее известных неорганических компонентов нанозимов является диоксид церия, который не только биосовместим, но и стимулирует пролиферацию здоровых клеток, обладая при этом антибактериальным и противовоспалительным действием.
Работу комментирует руководитель исследования, чл.-корр. РАН Владимир Иванов: «Наш коллектив на протяжении ряда лет занимается созданием нанобиоматериалов на основе диоксида церия; в этом исследовании мы сконцентрировались на анализе энзимоподобных свойств наночастиц диоксида церия, стабилизированных яблочной кислотой. Эта органическая молекула сама по себе участвует в биокаталитических превращениях трикарбоновых кислот, которые вовлечены в процессы клеточного дыхания, и к тому же обладает собственной биологической активностью, прежде всего антиоксидантными свойствами. Мы намеревались выяснить, как именно энзимоподобные свойства таких наночастиц зависят от их состава, то есть количества органических молекул на поверхности наночастиц. Для исследования свойств наночастиц использовали чрезвычайно высокочувствительный хемилюминесцентный метод. Неожиданным результатом нашей работы явилось то, что при малом содержании органического стабилизатора на поверхности наночастиц диоксида церия они увеличивают скорость образования реакционноспособных свободных радикалов в системе, то есть способствуют протеканию окислительных реакций. Аналогичную активность по отношению пероксида водорода проявляет и природный фермент пероксидаза. Напротив, при высоком содержании яблочной кислоты наночастицы замедляли образование радикалов, то есть показали антиоксидантную активность. Таким образом, изменяя количество молекул, находящихся на поверхности наночастиц, можно переключать их свойства. Для описания этого эффекта можно использовать довольно простую геометрическую модель, которая, как мы считаем, может быть использована для предсказания биологических свойств и других наноматериалов. Кроме того, мы провели тщательные исследования биологической совместимости полученных наночастиц, которые достоверно показали, что они не являются токсичными по отношению к стволовым клеткам человека. В целом, полученные результаты открывают новые возможности для получения биосовместимых неорганических наноматериалов с регулируемыми про- и антиоксидантными свойствами.»
Источник: A.D. Filippova, A.E. Baranchikov, M.A. Teplonogova, I.V. Savintseva, A.L. Popov, V.K. Ivanov. Ligand-to-metal ratio governs radical-scavenging ability of malate-stabilised ceria nanoparticles // Nanomaterials. 2024. V.14(23). 1908. DOI: 10.3390/nano14231908. https://www.mdpi.com/2079-4991/14/23/1908