Физики лаборатории многомасштабного математического моделирования Уральского федерального университета разработали модель, с помощью которой выяснили, как происходит процесс кристаллизации в «сложных» жидкостях. Закономерности роста кристаллов они рассчитали для инсулина, бета-лактоглобулина и лизоцима (по этим препаратам есть проверенные экспериментальные данные). Описание теории и полученные данные ученые опубликовали в Journal of Applied Physics. Работу поддержал Российский научный фонд (проект № 23-19-00337).
«Наша работа посвящена теории двухстадийного зарождения и роста кристаллов в метастабильной жидкости. Этот механизм заключается в том, что образование кристаллических зародышей происходит в плотных жидких кластерах, взвешенных в растворе. Эти кластеры содержат более высокую концентрацию и вязкость раствора, что приводит к более низкому поверхностному барьеру свободной энергии и более быстрому пути фазового перехода. Иными словами, сначала в жидкости образуются капельки с более плотной жидкой структурой и внутри этих капелек происходит первоначальное зарождение и рост кристалликов. На первой стадии кристаллики растут по одному закону. Затем, на второй стадии, когда они покидают область более плотной жидкости, у них меняется закон роста. И дальше они эволюционируют по новым законам», — поясняет процесс кристаллизации «сложных» жидкостей руководитель лаборатории, соавтор работы Дмитрий Александров.
По словам ученого, раньше — по классической теории — при описании процессов подразумевалось, что кристаллизация идет в один этап. Однако последние 10-15 лет появляются работы, которые подтверждают, что процесс кристаллизации в некоторых жидкостях более сложный и происходит в два этапа, с разной скоростью.
«Двухступенчатый механизм нуклеации имеет место при кристаллизации различных белков, низкомолекулярных органических и неорганических соединений, включая биоминералы и коллоиды. Мы рассчитали закономерности роста для инсулина, бета-лактоглобулина и лизоцима», — говорит соавтор исследования, ведущий научный сотрудник лаборатории Евгения Маковеева.
Расчеты физиков помогут, к примеру, создавать лекарства с заданными свойствами. Как поясняют ученые, теперь можно предсказывать, как будут затвердевать жидкости, каких размеров будут кристаллы, что в конечном счете влияет на свойства продукта. Усложнив модель, можно будет вычислить и такие факторы, как охлаждение жидкости и добавление растворенных примесей, растворение мелких частиц и удаление кристаллов продукта, добавляют исследователи.
«Двухстадийный механизм зародышеобразования и роста кристаллов является широко распространенным явлением и имеет место в различных процессах кристаллизации от метастабильных и неравновесных жидкостей, от неорганических и коллоидных до органических материалов, включая биоминералы и небольшие молекулы в живых организмах», — заключает Евгения Маковеева.
Справка
Инсулин — пептидный гормон, вырабатываемый бета-клетками островков поджелудочной железы. Считается основным анаболическим гормоном организма. Регулирует метаболизм углеводов, жиров, белков, способствуя всасыванию глюкозы из крови в клетки печени.
Бета-лактоглобулин — сывороточный белок коровьего и овечьего молока, считается молочным аллергеном. Является основным компонентом молочной пенки при кипячении молока (разрушается при 20-минутном кипячении). Бета-лактоглобулин способен связывать железо и таким образом может играть роль в борьбе с патогенами; при приеме внутрь бета-лактоглобулин способен доставлять комплексное железо в иммунные клетки, обеспечивая микропитание клеток и участвуя в иммунной толерантности.
Лизоцим — антибактериальный фермент, разрушающий клеточные стенки бактерий. Вырабатывается животными, является частью иммунной системы. В больших количествах содержится в слюне, чем объясняются ее антибактериальные свойства. Лизоцим получают преимущественно из белка куриных яиц.
Уральский федеральный университет — один из ведущих вузов России, расположен в Екатеринбурге. Участник проекта по созданию кампусов мирового уровня — части национального проекта «Наука и университеты», реализуемого Минобрнауки России. Университет — участник государственной программы поддержки российских вузов «Приоритет-2030», выступает инициатором создания и выполняет функции проектного офиса Уральского межрегионального научно-образовательного центра мирового уровня «Передовые производственные технологии и материалы».