Kuidas on sarnased jalgpallipall ja fullereen? Süsiniknanoosakesed ja nanotorud. Kes päästab inimese? Ilu

Omadused... Aga kõigepealt.

Alguses - šungiidi kohta.

Šungiit on must mineraal, mis sisaldab 93-98% süsinikku ja kuni 3-4% vesiniku, hapniku, lämmastiku, väävli ja vee ühendeid. Mineraali tuhk sisaldab vanaadiumi, molübdeeni, niklit, volframi ja seleeni. Maavara sai oma nime Karjalas asuvast Shunga külast, kus asuvad selle peamised maardlad.

Šungiit tekkis orgaanilistest põhjasetetest – sapropelist – ligikaudu 600 miljonit aastat tagasi ja mõne allika järgi – 2 miljardit aastat tagasi. Need orgaanilised setted (vähkide, vetikate ja muude tigude surnukehad), mis olid ülalt kaetud üha uute kihtidega, tihenesid järk-järgult, veetusid ja vajusid maa sügavusse. Kompressiooni ja kõrge temperatuuri mõjul toimus metamorfiseerumisprotsess. Selle protsessi tulemusena tekkis šungiidile iseloomulike gloobulite-fullereenide kujul mineraalmaatriksis dispergeeritud amorfne süsinik.

Nüüd fullereenidest

Mida see fullereen šungiidis sisaldab? Fullereenid on teatud tüüpi süsinik. Niisiis mäletame koolist, et süsinikul on mitu vormi:

  • teemant,
  • grafiit,
  • kivisüsi.

Fullereenid on lihtsalt üks süsiniku vorm. See erineb selle poolest, et fullereeni molekulid on korrapäraste hulktahukate kerapallid, mis koosnevad sama süsiniku molekulidest:

Aga miks fullereenid nii kasulikud on?

Fullereene kasutatakse pooljuhttehnoloogias erinevate uuringute jaoks (optika, kvantmehaanika), fototakistus, ülijuhtide valdkonnas, mehaanikas hõõrdumist vähendavate ainete tootmiseks, akutehnoloogias, teemantide sünteesis, fotopatareide tootmises ja paljudes teistes tööstusharudes. millest üks on ette nähtud ravimite valmistamiseks.

Ja jälle pöördume tagasi oma küsimuse juurde - Miks fullereenid nii kasulikud on?? Siin saate ühendust võtta Grigori Andrievskiga, kes töötab koos Ukraina Meditsiiniteaduste Akadeemia Teraapiainstituudi teadlaste rühmaga täpselt selles küsimuses. Oma uurimistöös paljastas teadlane, mis oli mis.

Seega on šungiidis sisalduvad fullereenid erilisel kujul – hüdreeritud. See tähendab, et need on ühendatud veega ja võivad vees lahustuda. Vastavalt sellele saab fullereene šungiidist välja pesta ja vormida fullereeni lahus- ainus fullereenide aktiivne vorm tänaseks.

Järgmiseks fullereenide vesilahused on võimsad antioksüdandid. See tähendab, et nad, nagu vitamiinid E ja C (ja muud ained), aitavad keha tegeleda vabade radikaalidega- ained, mis tekivad organismis põletikuliste protsesside käigus ja interakteeruvad väga agressiivselt neid ümbritsevate ainetega - hävitades organismile vajalikke struktuure. Kuid erinevalt vitamiinidest ei tarbita fullereene vabade radikaalide neutraliseerimisel – ja need võivad muuta need ohutuks seni, kuni need organismist loomulikul teel eemaldatakse.

Sellest lähtuvalt võib tõhusalt antioksüdantidena toimivaid fullereene organismis leida palju väiksemates kogustes kui vitamiine. Võrreldes nendega

fullereenid võivad toimida üliväikestes annustes.

Seega saate fullereenide vesilahuste abil vähendada vabade radikaalide arvu kehas ja aidata kehal toime tulla negatiivsete protsessidega. Mida tegelikult teeb šungiitvesi – see sama fullereenide vesilahus.

Ja Grigori Andrievski väga oluline täiendus šungiitfulereenide raviomaduste kohta:

Seni on vabatahtlikega, sealhulgas minuga, tehtud vaid katseid. Seetõttu ei tohiks tekitada hüpet ja sisendada patsientidele ebareaalseid lootusi. Jah, meil on paljulubavaid tulemusi alusuuringud, mida saadakse peamiselt loomadest ja rakukultuuridest. Aga kuni ravimeid ja meetodeid pole ettenähtud viisil testitud ja testitud, pole meil ei moraalset ega muud õigust nimetada neid ravimiteks ja ravimeetoditeks.

Ja lõpuks šungiitveele

Šungiidi vesi – pöördume selle juurde tagasi. Šungiitvee valmistamise ja kasutamise kohta on kaks vastandlikku arvamust.

Esimesele andis hääle Ph.D. chem. Teadused O. V. Mosin (M. V. Lomonossovi nimeline Moskva Riiklik peenkeemiatehnoloogia akadeemia):

vesi, infundeeritud šungiidiga, muutub mitte ainult puhtaks joogiveeks, vaid ka hüdraatunud fullereenide molekulaarseks kolloidseks lahuseks, mis kuulub uue põlvkonna meditsiiniliste ja profülaktiliste ainete hulka, millel on organismile mitmekülgne toime.

Teise arvamuse šungiidi kasutamise kohta avaldab Karelski geoloogiainstituudi direktor teaduskeskus RAS geoloogia ja matemaatika doktor n. Vladimir Štšiptsov:

On tõestatud, et šungiit puhastab vett, kuid ainult siis, kui see sisaldub spetsiaalsetes filtrites. Lihtsalt mineraalitükiga infundeeritud vesi võib olla isegi kahjulik – keemilise reaktsiooni tulemusena tekib sisuliselt madala kontsentratsiooniga happelahus.

Niisiis, kas šungiitvee valmistamiseks peate vett mineraaliga infundeerima või läbima spetsiaalsete filtrite? Süveneme teemasse. Ja kuna šungiitvesi on fullereenide vesilahus, ei saa me neist lahti.

Seega lahustuvad fullereenid vees suurte raskustega. Kui need aga lahustuvad, moodustub iga fullereenipalli ümber korrapäraselt paiknevatest veemolekulidest mitmekihiline kest, ligikaudu kümme molekulikihti. Seda vett, teisisõnu hüdratsiooni, fullereeni molekuli ümbritsevat kesta võib nimetada struktureeritud vesi.

Fullereeni molekuli ümbritsev vesi erineb oma omadustelt oluliselt tavalisest veest. Ja see on väga sarnane seotud veega keharakkudes. Nii et elusrakus on tavalist, tuttavat vaba vett tegelikult väga vähe. Kogu vesi on ühendatud seda ümbritsevate molekulidega. Ja see on midagi tarretise sarnast. Seotud vee moodustumise mehhanism rakkudes on sarnane fullereeni molekuli ümber veekesta moodustumise mehhanismiga.

Seega saab šungiitvee lahuses eristada kahte tüüpi vett:

  1. struktureeritud vesi, mis ümbritseb fullereeni molekule (nagu orgaaniliste ainete molekulid rakkudes),
  2. ja tasuta vett.

Lahuste aurustamisel aurustub esimesena vaba vesi. Sama veekarp madalama sulamistemperatuuriga moodustub ensüümilahustes DNA molekulide ümber. See muudab need vastupidavaks nii külmumisele kui ka kuumutamisele.

Niisiis, pöördume tagasi kahe erineva šungiidi valmistamise meetodi juurde – infusiooni ja šungiidikihi läbimise. Mille poolest need meetodid erinevad? Need erinevad kokkupuuteaja poolest. See tähendab, et aeg, mille jooksul fullereenid võivad šungiitstruktuurist lahkuda ja moodustada vesilahuse.

Nagu me varem mainisime, fullereenid võivad toimida üliväikestes annustes. See tähendab, et fullereenide tõeliselt tõhusa lahuse moodustamiseks piisab lihtsalt vee läbilaskmisest šungiidist või vee pikaajalisest mitteinfundeerimisest šungiidile.

Loomulikult sõltub fullereenide lahustumise intensiivsus šungiidist šungiidi graanulite jahvatusastmest. Seega, kui sul on kilo kaaluv kivitükk, siis võid kaua vett leotada :)

Alates valmimisest teaduslikud uuringud Kuna šungiidi kasutamiseks puuduvad ühemõttelised soovitused, puudub täpne muster - kui kaua infundeerida (filtreerida) läbi millise suurusega šungiidigraanulite, et valmistada vajaliku kontsentratsiooniga fullereenide lahus.

Seetõttu on täna ainus väljapääs šungiitveega katsetamine.

Ja kuulake oma tundeid. Ja loomulikult muutke mõju, kui teie tervis halveneb või paraneb.

Kirjutage oma katsete tulemused!

1985. aastal avastati 60 süsinikuaatomist koosnev molekul, mis oli paigutatud nagu jalgpall – fullereen, mis sai nime insener Richard Fulleri järgi, kes sai kuulsaks just selle kujuga kujunduste poolest. Peale selle hämmastavalt sümmeetrilise kuju on see molekul, mis on kolmas (teemanti ja grafiidi järel) süsiniku allotroopne vorm, osutunud alkeemikute jaoks filosoofiliseks kiviks.

Kuni viimase ajani ei lakanud see teadlasi hämmastamast oma ülimadala toksilisuse (eriti võrreldes sarnase struktuuriga nanotorudega) ja muude hämmastavate omadustega. Fullereenide ja rakkude interaktsiooni mehhanismid pole veel selged, kuid tulemust võib tõesti nimetada maagiliseks.

See ei ole täielik loetelu omadustest, mis on arste ja biolooge huvitatud. Fullereeni ja selle derivaate saab kasutada:

  • kaitsta keha kiirguse ja ultraviolettkiirguse eest;
  • kaitseks viiruste ja bakterite eest;
  • kaitseks allergiate eest. Seega in vivo katsetes inhibeerib fullereeni derivaatide manustamine hiirtel anafülaksia ja toksilist toimet ei täheldata;
  • immuunsüsteemi stimuleeriva ainena;
  • võimsa antioksüdandina, sest see on aktiivne radikaalide püüdja. Fullereeni antioksüdantne aktiivsus on võrreldav SkQ klassi antioksüdantide (“Skulachev ioonid”) toimega ja on 100–1000 korda suurem kui tavaliste antioksüdantide, nagu E-vitamiin, butüülhüdroksütolueen, β-karoteen, toime;
  • Kuidas ravimid võidelda vähiga;
  • angiogeneesi pärssimiseks;
  • kaitsta aju alkoholi eest;
  • närvikasvu stimuleerimiseks;
  • stimuleerida naha taastumisprotsesse. Seega on fullereen kosmeetikatoodete vananemisvastaste toodete GRS ja CEFINE oluline komponent;
  • juuste kasvu stimuleerimiseks;
  • amüloidivastase toimega ravimina.

Lisaks saab fullereeni kasutada erinevate ravimainete viimiseks rakkudesse ja geneetiliste vektorite mitteviiruslikuks toimetamiseks raku tuuma.

Näib, et seda loendit pole kusagil mujal laiendada, kuid hiljuti täiendati seda teise, võib-olla kõige üllatavama ja arusaamatuima kvaliteediga C60 fullereeniga. Prantsuse teadlased leidsid oliiviõlis lahustatud C60 fullereeni toksilisuse uuringus, et rotid, kes saavad regulaarselt C60 fullereeni lahust, elavad kauem kui need, kellele manustati ainult oliiviõli või tavatoitu. (Lühikest ümberjutustust saab lugeda artiklist “Oliviõli fullereenidega - nooruse eliksiir?” - VM.)

Õlis lahustumine suurendab järsult C60 fullereeni efektiivsust, kuna selle suured agregaadid (16 või enam molekuli) ei suuda rakkudesse tungida.

Samal ajal ei pikenenud oodatav eluiga mitte ainult 20-30%, nagu katsetes parimate "vanaduse ravimitega" (nagu resveratrool või rapamütsiin), vaid mitte vähem kui kaks korda! Pooled fullereeni saanud loomadest elasid kuni 60 kuud (vanim rott elas kuni 5,5 aastat). Veelgi enam, kontrollrühmas (tavalise toitumisega) oli 50% loomade eluiga 30 kuud ja vanim elas vaid kuni 37 kuud. Loomad, kellele manustati fullereenivaba oliiviõli, elasid veidi kauem – 50% neist elas 40 kuuni ja vanim rott 58 kuuni.

Toidetud rottide ellujäämisdiagramm: tavaline toit (sinine joon), lisaks dieedile oliiviõli (punane) ja oliiviõli, milles on lahustunud C60 fullereeni (must joon). Joonistamine alates.

Artikli autorid omistavad fullereen C60 elu andva toime selle antioksüdantsetele omadustele. Siiski on võimalik, et see võib olla seotud C60 fullereeni võimega suhelda A-vitamiiniga. On teada, et retinoidid (sealhulgas A-vitamiin) mängivad olulist rolli immuunsüsteemi võtmegeenide ekspressioonis ning et retinoidide lokaalne süntees näib mängivat võtmerolli embrüogeneesi ja regeneratsiooni reguleerimisel.

Kahjuks viidi need katsed läbi väikeste loomarühmadega ja vajavad seetõttu hoolikat kontrollimist. Arvestades asjaolu, et Venemaal toodetud puhastatud fullereen C60 maksab vaid umbes 1800 rubla grammi kohta, pole nende katsete kordamine ning "ravi" annuse ja kestuse selgitamine nii keeruline. Midagi muud on keerulisem. Kas see "vananemisteraapia" on inimestele sama tõhus? Inimesed ei ole ju rotid ja on kümneid näiteid, kuidas hiirtel tehtud katsetes väga tõhusalt mõjuv ravim osutus katsete kliinikusse jõudes täiesti kasutuks (kui mitte kahjulikuks!). Eks aeg näitab. Samuti oleks huvitav võrrelda fullereen C60 eluea pikendavat aktiivsust selle arvukate Venemaal sünteesitud vees lahustuvate analoogidega.

Kirjutatud algse artikli põhjal.

Kirjandus

  1. A.V. Eletsky, B.M. Smirnov. (1993). Fullereenid. UFN 163 (nr 2), 33–60;
  2. Mori T. et al. (2006). Prekliinilised uuringud fullereeni ohutuse kohta ägeda suukaudse manustamise korral ja mutageneesi puudumise hindamine. Toxicology 225, 48–54;
  3. Szwarc H, Moussa F. (2011). 60fullereeni toksilisus: segadus teaduskirjanduses. J. Nanosci. Lett. 1, 61–62;
  4. biomolekul: "Nähtamatu piir: kus "nano" ja "bio" põrkuvad";
  5. Marega R., Giust D., Kremer A., ​​​​Bonifazi D. (2012). Fullereenide ja süsiniknanotorude supramolekulaarne keemia liidestes: rakenduste suunas. Fullereenide ja süsiniku nanotorude supramolekulaarne keemia (toim. N. Martin ja J.-F. Nierengarten), Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim, Saksamaa;
  6. Piotrovsky L.B. (2010). Nanomeditsiin kui osa nanotehnoloogiast. Venemaa Meditsiiniteaduste Akadeemia bülletään 3, 41–46;
  7. Theriot C. A., Casey R. C., Moore V. C., Mitchell L., Reynolds J. O., Burgoyne M. jt. (2010). Dendrofullereen DF-1 pakub radiotundlikele imetajarakkudele kiirguskaitset. Kiirgus. Keskkond. Biophys. 49, 437–445;
  8. Andrievski G.V., Bruskov V.I., Tõhhomõrov A.A., Gudkov S.V. (2009). Hüdreeritud C60 fullereeni nanostruktuuride antioksüdantse ja radioprotektiivse toime iseärasused in vitro ja in vivo. Vaba Radik. Biol. Med. 47, 786–793;
  9. Mashino T., Shimotohno K., Ikegami N. jt. (2005). Inimese immuunpuudulikkuse viiruse pöördtranskriptaasi inhibeerimine ja fullereeni derivaatide RNA-sõltuv RNA polümeraasi inhibeerimine. Bioorg. Med. Chem. Lett. 15, 1107–1109;
  10. Lu Z. S., Dai T. H., Huang L. Y. jt. (2010). Fotodünaamiline ravi katioonse funktsionaliseeritud fullereeniga päästis hiired surmavate haavainfektsioonide eest. Nanomeditsiin 5, 1525–1533;
  11. John J. R., Bateman H. R., Stover A., ​​Gomez G., Norton S. K., Zhao W. jt. (2007). Fullereeni nanomaterjalid pärsivad allergilist reaktsiooni. J. Immunol. 179, 665–672;
  12. Xu Y.Y., Zhu J.D., Xiang K., Li Y.K., Sun R.H., Ma J. jt. (2011). 60 fullereeni-tuftsiini konjugaatide süntees ja immunomoduleeriv toime. Biomaterials 32, 9940–9949;
  13. Gharbi N., Pressac M., Hadchouel M. et al. (2005). Fullereen on võimas antioksüdant in vivo, millel puudub äge ega alaäge toksilisus. Nano Lett. 5, 2578–2585;
  14. Chen Z., Ma L., Liu Y., Chen C. (2012). Funktsionaliseeritud fullereenide rakendused kasvajateraapias. Theranostics 2, 238–250;
  15. Jiao F., Liu Y., Qu Y. jt. (2010). Fullerenooli kasvajavastase ja antimetastaatilise toime uuringud hiire rinnavähi mudelis. Carbon 48, 2231–2243;
  16. Meng H., Xing G. M., Sun B. Y., Zhao F., Lei H., Li W. jt. (2010). Tugev angiogeneesi pärssimine fullereeni derivaatide osakeste kujul. ACS Nano, 4, 2773–2783;
  17. Tõhhomõrov A.A., Nedzvetski V.S., Klochkov V.K., Andrievski G.V. (2008). Hüdreeritud C60 fullereeni (C60HyFn) nanostruktuurid kaitsevad roti aju alkoholi mõju eest ja nõrgendavad alkoholijoobes loomade käitumishäireid. Toxicology 246, 158–165;
  18. Grigorjev V.V., Petrova L.N., Ivanova T.A. jt. ja Bachurin S.O. (2011). C60 fullereenil põhinevate hübriidstruktuuride neuroprotektiivse toime uurimine. Izv. RAS-seeria Bioloogiline 2, 163–170;
  19. Zhou Z. G., Lenk R., Dellinger A., ​​MacFarland D., Kumar K., Wilson S. R. jt. (2009). Fullereeni nanomaterjalid võimendavad juuste kasvu. Nanomeeritud. Nanotehnoloogia. Biol. Med. 5, 202–207;
  20. Bobylev A.G., Kornev A.B., Bobyleva L.G., Shpagina M.D., Fadeeva I.S., Fadeev R.S. jt. (2011). Fullerenolaadid: tugeva antiamüloidse toimega metalliseeritud polühüdroksüülitud fullereenid. Org. Biomol. Chem. 9, 5714–5719;
  21. biomolekul: "Tuleviku nanomeditsiin: transdermaalne manustamine nanoosakeste abil";
  22. Montellano A., Da Ros T., Bianco A., Prato M. (2011). Fullereen C(60) kui multifunktsionaalne süsteem ravimite ja geenide kohaletoimetamiseks. Nanoskaala 3, 4035–4041;
  23. Kuznetsova S.A., Oretskaja T.S. (2010). Nanotranspordisüsteemid nukleiinhapete sihipäraseks toimetamiseks rakkudesse. Vene nanotehnoloogiad 5 (nr 9–10), 40–52;
  24. Baati T., Bourasset F., Gharb N. jt. (2012) Rottide eluea pikendamine 60fullereeni korduva suukaudse manustamisega. Biomaterials 33, 4936–4946;
  25. Piotrovsky L.B., Eropkin M.Yu., Eropkina E.M., Dumpis M.A., Kiselev O.I. (2007). Fullereenide bioloogilise toime mehhanismid sõltuvad agregatsiooni seisundist. Psühhofarmakoloogia ja bioloogiline narkoloogia 7 (nr 2), 1548–1554;
  26. Moussa F., Roux S., Pressac M., Genin E., Hadchouel M., Trivin F. jt. (1998). In vivo reaktsioon 60fullereeni ja A-vitamiini vahel hiire maksas. Uus J. Chem. 22, 989–992;
  27. Linney E., Donerly S., Mackey L., Dobbs-McAuliffe B. (2001). Retinoehappe retseptorite negatiivne pool. Neurotoksikool Teratool. 33, 631–640;
  28. Gudas L.J. (2012). Retinoidide esilekerkivad rollid regenereerimisel ja diferentseerumisel normaalsetes ja haigusseisundites. Biochim Biophys Acta 1821, 213–221.

Portaal "Igavene noorus"

Süsiniku molekulaarne vorm või selle allotroopne modifikatsioon fullereen on pikk rida aatomiklastreid C n (n > 20), mis on kumerad suletud polüeedrid, mis on ehitatud süsinikuaatomitest ja millel on viis- või kuusnurksed pinnad (siin on väga harvad erandid ). Asendamata fullereenide süsinikuaatomid kipuvad olema sp 2 hübriidses olekus koordinatsiooninumbriga 3. Nii moodustub valentssidemete teooria kohaselt sfääriline konjugeeritud küllastumata süsteem.

Üldine kirjeldus

Termodünaamiliselt kõige stabiilsem süsiniku vorm tavatingimustes on grafiit, mis näeb välja nagu grafeenilehtede virn, mis on vaevu üksteisega ühendatud: lamedad võred, mis koosnevad kuusnurksetest rakkudest, mille ülaosas on süsinikuaatomid. Igaüks neist on seotud kolme naaberaatomiga ja neljas valentselektron moodustab pi-süsteemi. See tähendab, et fullereen on just selline molekulaarne vorm, st sp 2 hübriidseisundi pilt on ilmne. Kui grafeenilehele tuuakse sisse geomeetrilisi defekte, tekib paratamatult suletud struktuur. Näiteks on sellised defektid viieliikmelised tsüklid (viisnurksed tahud), mis on süsiniku keemias sama levinud kui kuusnurksed.

Loodus ja tehnika

Fullereenide saamine puhtal kujul võib-olla kunstliku sünteesi teel. Neid ühendeid uuritakse jätkuvalt intensiivselt erinevad riigid, millega määratakse kindlaks nende moodustumise tingimused ning võetakse arvesse ka fullereenide struktuuri ja nende omadusi. Nende rakendusala laieneb üha enam. Selgus, et märkimisväärne kogus fullereene sisaldub tahmas, mis tekib grafiitelektroodidel kaarlahenduses. Keegi polnud seda fakti varem näinud.

Kui fullereene laboris saadi, hakati looduses leiduma süsiniku molekule. Karjalas leiti neid šungiitide proovidest, Indias ja USA-s - furulgiitidest. Süsinikumolekule leidub ohtralt ja sageli ka meteoriitides ja põhjasetetes, mis on vähemalt kuuskümmend viis miljonit aastat vanad. Maal võivad puhtad fullereenid tekkida äikeselahenduse ja maagaasi põlemise käigus. Vahemerd üle võetud uuriti 2011. aastal ja selgus, et fullereeni oli kõigis võetud proovides – Istanbulist Barcelonani. Selle aine füüsikalised omadused põhjustavad spontaanset moodustumist. Samuti on seda kosmosest avastatud tohututes kogustes – nii gaasilisel kui tahkel kujul.

Süntees

Esimesed katsed fullereenide eraldamiseks toimusid kondenseeritud grafiidiaurude kaudu, mis saadi tahkete grafiidiproovide laserkiirgusega. Fullereenidest oli võimalik saada vaid jälgi. Alles 1990. aastal töötasid keemikud Huffman, Lamb ja Kretschmer välja uue meetodi fullereenide ekstraheerimiseks grammides. See koosnes heeliumi atmosfääris ja madalal rõhul elektrikaarega grafiitelektroodide põletamisest. Anood oli erodeeritud ja kambri seintele ilmus fullereene sisaldav tahm.

Järgmisena lahustati tahm tolueenis või benseenis ning saadud lahuses eraldus grammid puhtaid C70 ja C60 molekule. Suhe - 1:3. Lisaks sisaldas lahus kaks protsenti kõrgema järgu raskeid fullereene. Nüüd ei jäänud muud üle kui valida optimaalsed aurustamise parameetrid - atmosfääri koostis, rõhk, elektroodi läbimõõt, vool jne, et saavutada fullereenide suurim saagis. Need moodustasid umbes kaksteist protsenti anoodimaterjalist endast. Seetõttu on fullereenid nii kallid.

Tootmine

Kõik teaduslike eksperimentaatorite katsed olid alguses asjatud: produktiivseid ja odavaid meetodeid fullereenide tootmiseks ei leitud. Ei süsivesinike põletamine leegis ega keemiline süntees ei toonud edu. Elektrikaare meetod jäi kõige produktiivsemaks, võimaldades saada umbes ühe grammi fullereene tunnis. Mitsubishi on rajanud tööstusliku tootmise süsivesinike põletamise teel, kuid nende fullereenid ei ole puhtad – need sisaldavad hapnikumolekule. Ja selle aine moodustumise mehhanism jääb endiselt ebaselgeks, kuna kaare põlemisprotsessid on termodünaamilisest seisukohast äärmiselt ebastabiilsed ja see takistab suuresti teooria kaalumist. Ainsad ümberlükkamatud faktid on see, et fullereen kogub üksikuid süsinikuaatomeid, st C2 fragmente. Selget pilti selle aine tekkest pole aga kujunenud.

Fullereenide kõrget hinda ei määra mitte ainult madal saagis põlemisel. Erineva massiga fullereenide eraldamine, puhastamine, eraldamine tahmast – kõik need protsessid on üsna keerulised. See kehtib eriti segu eraldamise kohta eraldi molekulaarseteks fraktsioonideks, mis viiakse läbi kolonnide vedelikkromatograafia ja kõrgsurve abil. Viimases etapis eemaldatakse allesjäänud lahusti juba tahkest fullereenist. Selleks hoitakse proovi dünaamilistes vaakumitingimustes temperatuuril kuni kakssada viiskümmend kraadi. Kuid pluss on see, et fullereeni C 60 väljatöötamise ja selle makrokogustes tootmise käigus omandas orgaaniline keemia iseseisva haru - fullereenide keemia, mis sai uskumatult populaarseks.

Kasu

Fullereeni derivaate kasutatakse erinevates tehnoloogiavaldkondades. Fullereenkiled ja -kristallid on pooljuhid, millel on optilise kiirguse korral fotojuhtivus. Leelismetalli aatomitega legeeritud C60 kristallid lähevad ülijuhtivusseisundisse. Fullereeni lahustel on mittelineaarsed optilised omadused ja seetõttu saab neid kasutada tugeva kiirguse eest kaitsmiseks vajalike optiliste aknaluukide alusena. Fullereeni kasutatakse ka teemantide sünteesi katalüsaatorina. Fullereene kasutatakse laialdaselt bioloogias ja meditsiinis. Nendel molekulidel on kolm omadust: lipofiilsus, mis määrab membranotroopsuse, elektronide defitsiit, mis annab võimaluse suhelda vabade radikaalidega, samuti võime viia oma ergastatud olek üle tavalisele hapnikumolekulile ja muuta see hapnik hapnikuks. singlett.

Sellised aine aktiivsed vormid ründavad biomolekule: nukleiinhappeid, valke, lipiide. Reaktiivseid hapniku liike kasutatakse fotodünaamilises ravis vähi raviks. Patsiendi verre viiakse fotosensibilisaatorid, mis tekitavad reaktiivseid hapniku liike – fullereene ise või nende derivaate. Kasvaja verevool on nõrgem kui tervetes kudedes ja seetõttu kogunevad sellesse fotosensibilisaatorid ning pärast sihipärast kiiritamist ergastatakse molekulid, tekitades reaktiivseid hapniku liike. vähirakud läbivad apoptoosi ja kasvaja hävib. Lisaks on fullereenidel antioksüdantsed omadused ja nad püüavad kinni reaktiivsed hapnikuühendid.

Fullereen vähendab HIV-integraasi aktiivsust – valku, mis vastutab viiruse integreerimise eest DNA-sse, sellega suhtlemise, selle konformatsiooni muutmise ja peamise kahjuliku funktsiooni võtmise eest. Mõned fullereeni derivaadid interakteeruvad otseselt DNA-ga ja häirivad restiktaaside toimet.

Veel meditsiinist

2007. aastal hakati vees lahustuvaid fullereene kasutama allergiavastaste ainetena. Uuringud viidi läbi inimese rakkude ja verega, mis puutusid kokku fullereeni derivaatidega – C60(NEt)x ja C60(OH)x. Elusorganismidega - hiirtega - tehtud katsetes olid tulemused positiivsed.

Juba praegu kasutatakse seda ainet ravimite kohaletoimetamise vektorina, kuna fullereenidega vesi (pidage meeles C 60 hüdrofoobsust) tungib väga kergesti läbi rakumembraani. Näiteks erütropoetiin, mis viiakse otse verre, laguneb märkimisväärses koguses ja kui seda kasutatakse koos fullereenidega, suureneb kontsentratsioon enam kui kahekordseks ja seetõttu satub see rakku.

Kõige tõhusam meetod fullereenide tootmiseks põhineb grafiidi termilisel lagunemisel. Grafiidi mõõdukal kuumutamisel katkeb grafiidi üksikute kihtide vaheline side, kuid aurustunud materjal ei lagune üksikuteks aatomiteks. Sel juhul koosneb aurustunud kiht üksikutest fragmentidest, mis on kuusnurkade kombinatsioon. Nendest fragmentidest ehitatakse C60 molekul ja muud fullereenid. Grafiidi lagundamiseks fullereenide tootmiseks kasutatakse grafiitelektroodi takistuslikku ja kõrgsageduslikku kuumutamist, süsivesinike põletamist, grafiidipinna laserkiirgust ja grafiidi aurustamist fokuseeritud päikesekiire abil. Need protsessid viiakse läbi puhvergaasis, milleks on tavaliselt heelium. Kõige sagedamini kasutatakse fullereenide tootmiseks heeliumi atmosfääris grafiitelektroodidega kaarlahendust. Heeliumi põhiroll on seotud jahutusfragmentidega, millel on kõrge vibratsiooniline ergutusaste, mis takistab nende ühinemist stabiilseteks struktuurideks. Heeliumi optimaalne rõhk on vahemikus 50-100 Torr.

Meetodi alus on lihtne: kahe grafiitelektroodi vahel süüdatakse elektrikaar, milles anood aurustub. Tahm, mis sisaldab 1 kuni 40% (olenevalt geomeetrilistest ja tehnoloogilistest parameetritest) fullereene, ladestub reaktori seintele. Fullereenide eraldamiseks fullereeni sisaldavast tahmast kasutatakse eraldamist ja puhastamist, vedelikekstraktsiooni ja kolonnkromatograafiat. Esimeses etapis töödeldakse tahma mittepolaarse lahustiga (tolueen, ksüleen, süsinikdisulfiid). Ekstraheerimise efektiivsuse tagab Soxhleti aparaadi või ultraheliravi kasutamine. Saadud fullereenide lahus eraldatakse sademest filtrimise ja tsentrifuugimisega, lahusti destilleeritakse välja või aurustatakse. Tahke sete sisaldab fullereenide segu, mis on lahusti toimel erineval määral solvateeritud. Fullereenide eraldamine üksikuteks ühenditeks toimub kolonnvedelikkromatograafia või kõrgsurvevedelikkromatograafia abil. Lahustijäägi täielik eemaldamine tahkest fullereeniproovist viiakse läbi, hoides seda dünaamilises vaakumis mitu tundi temperatuuril 150–250 °C. Puhtuse edasine tõus saavutatakse puhastatud proovide sublimeerimisega

8. Fullereenide ja fulleriitide praktilise kasutamise väljavaated

Fullereenide avastamine on juba viinud uute tahkisfüüsika ja keemia (stereokeemia) harude loomiseni. Fullereenide ja nende derivaatide bioloogilist aktiivsust uuritakse aktiivselt. On näidatud, et selle klassi esindajad suudavad inhibeerida erinevaid ensüüme, põhjustada DNA molekulide spetsiifilist lõhustumist, soodustada elektronide ülekannet läbi bioloogiliste membraanide ja osaleda aktiivselt erinevates organismis toimuvates redoksprotsessides. Alustatud on fullereenide metabolismi uurimisega, pöörates erilist tähelepanu viirusevastastele omadustele. Eelkõige on näidatud, et mõned fullereeni derivaadid on võimelised inhibeerima AIDS-i viiruse proteaasi. Laialdaselt arutatakse ideed luua radioaktiivsete isotoopidega fullereenide vees lahustuvatel endoeedrilistel ühenditel põhinevaid vähivastaseid ravimeid. Kuid siin puudutame peamiselt fullereenmaterjalide kasutamise väljavaateid tehnoloogias ja elektroonikas.

Superkõvade materjalide ja teemantide saamise võimalus. Suured lootused pannakse katsetele kasutada fullereeni, millel on osaline sp^3 hübridisatsioon, lähteainena asendamaks grafiiti tehniliseks kasutamiseks sobivate teemantide sünteesil. Jaapani teadlased, kes uurisid rõhu mõju fullereenile vahemikus 8-53 GPa, näitasid, et fullereen-teemant üleminek algab rõhul 16 GPa ja temperatuuril 380 K, mis on oluliselt madalam kui

grafiit-teemant ülemineku jaoks. Võimalus saada

suured (kuni 600-800 mikronit) teemandid temperatuuril 1000 °C ja rõhul kuni 2 GPa. Suurte teemantide saagis ulatus 33 kaaluni. %. Ramani hajumise joonte sagedus 1331 cm^-1 laius oli 2 cm^-1, mis näitab saadud teemantide kõrget kvaliteeti. Aktiivselt uuritakse ka ülikõva survepolümeriseeritud fulleriidi faaside saamise võimalust.

Fullereenid teemantkilede ja ränikarbiidi kasvu lähteainetena. Laia vahega pooljuhtide kiled, nagu teemant ja ränikarbiid, on paljutõotavad kasutamiseks kõrgtemperatuurilises, kiires elektroonikas ja optoelektroonikas, sealhulgas ultraviolettkiirguses. Selliste seadmete maksumus sõltub laia vahega kilede keemilise sadestamise (CVD) meetodite väljatöötamisest ja nende meetodite ühilduvusest standardse ränitehnoloogiaga. Peamine probleem teemantkilede kasvatamisel on reaktsiooni suunamine eelistatavalt mööda faasi moodustumise teed sp^3 ja Mitte sp^2. Fullereene näib olevat tõhus kasutada kahel viisil: suurendada substraadil teemantide tuumakeskuste moodustumise kiirust ja kasutada neid sobivate “ehitusplokkidena” teemantide kasvatamiseks gaasifaasis. On näidatud, et C60 killustumine toimub mikrolaineahjus C2-l, mis on sobivad materjalid teemantkristallide kasvatamiseks. MER Corporation on tootnud kvaliteetseid teemantkilesid kasvukiirusega 0,6 µm/h, kasutades fullereene kasvu ja tuuma moodustumise lähteainetena. Autorid ennustavad, et see kõrge kasvumäär vähendab oluliselt CVD-teemantide maksumust. Oluline eelis on see, et fullereenid hõlbustavad võre parameetrite sobitamist heteroepitaksia ajal, mis võimaldab kasutada substraatidena IR-materjale.

Praegused ränikarbiidi tootmisprotsessid nõuavad kuni 1500 °C temperatuuri kasutamist, mis ühildub halvasti standardse ränitehnoloogiaga. Kuid fullereene kasutades saab ränikarbiidi saada C60 kile sadestamisel ränisubstraadile koos edasise lõõmutamisega temperatuuril, mis ei ületa 800–900 °C kasvukiirusega 0,01 nm/s Si substraadil.

Fullereenid litograafia materjalina. Tänu võimele polümeriseerida laser- või elektronkiire toimel ja moodustada seeläbi orgaanilistes lahustites lahustumatu faas, on nende kasutamine submikronilise litograafia resistina paljutõotav. Fullereenkiled taluvad märkimisväärset kuumenemist, ei saasta aluspinda ja võimaldavad kuivada.

Fullereenid uute materjalidena mittelineaarse optika jaoks. Fullereeni sisaldavad materjalid (kõrge mittelineaarsete optiliste omadustega lahused, polümeerid, vedelikud on paljutõotavad kasutamiseks intensiivse laserkiirguse optiliste piirajatena (summutajatena); fotorefraktiivsed kandjad dünaamiliste hologrammide salvestamiseks; sagedusmuundurid; faasikonjugatsiooniseadmed.

Enim uuritud valdkond on C60 lahendustel ja tahkelahendustel põhinevate optiliste võimsuse piirajate loomine. Mittelineaarse ülekandepiirangu mõju algab ligikaudu 0,2-0,5 J/cm^2 juures, küllastunud optilise ülekande tase vastab 0,1-0,12 J/cm2. Kui kontsentratsioon lahuses suureneb, väheneb energiatiheduse piirangu tase. Näiteks kui teepikkus proovis on 10 mm (kollimeeritud kiir) ja C60 lahuse kontsentratsioon tolueenis on 1 * 10^-4, 1,65 * 10^-4 ja 3,3 * 10^-4 M, on küllastunud optilise piiraja läbilaskvus osutus vastavalt 320, 165 ja 45 mJ/cm 2 . On näidatud, et lainepikkusel 532 nm erinevatel impulsside kestustel t (500 fs, 5 ps, 10 ns) avaldub mittelineaarne optiline piirang energiatiheduse 2, 9 ja 60 mJ/cm^2 juures. Suure sisendenergiatiheduse korral (üle 20 J/cm^2) täheldatakse lisaks mittelineaarse küllastunud neeldumise mõjule ergastatud tasemelt proovis kiire defokuseerimist, mis on seotud mittelineaarse neeldumisega, proovi temperatuur ja murdumisnäitaja muutus kiire läbipääsu piirkonnas. Kõrgemate fullereenide puhul nihkub neeldumisspektri piir pikemate lainepikkuste piirkonda, mis võimaldab saada optilise piiri λ = 1,064 μm juures.

Tahkis-optilise piiraja loomiseks on oluline viia fullereenid tahkismaatriksisse, säilitades samal ajal molekuli tervikuna ja moodustades homogeense tahke lahuse. Samuti on vaja valida maatriks, millel on kõrge kiirguskindlus, hea läbipaistvus ja kõrge optiline kvaliteet. Tahkismaatriksitena kasutatakse polümeere ja klaasmaterjale. Teatatakse C60 tahke lahuse edukast valmistamisest SiO 2-s sool-geeltehnoloogia abil. Proovide optiline piirväärtus oli 2–3 mJ/cm^2 ja hävimislävi üle 1 J/sv^2. Kirjeldatud on ka polüstüreenmaatriksi optilist piirajat ja on näidatud, et sel juhul on optilise piiramise mõju 5 korda parem kui lahuses oleva C60 puhul. Laserfosfaatklaasidesse fullereenide sisseviimisel selgus, et klaasides olevad fullereenid C60 ja C70 ei hävine ning fullereenidega legeeritud klaaside mehaaniline tugevus osutub suuremaks kui puhastel.

Mittelineaarse optilise kiirguse võimsuse piiramise huvitav rakendus on fullereenide kasutamine laseriõõnes spike-režiimi mahasurumiseks iserežiimi lukustamise ajal. Fullereenidega söötme kõrget mittelineaarsuse taset saab kasutada bistabiilse elemendina impulsi kokkusurumiseks nanosekundiliste kestuste vahemikus.

Fullereenide olemasolu elektroonilises struktuuris pi-elektroonilised süsteemid, nagu on teada, toovad kaasa mittelineaarse vastuvõtlikkuse suure väärtuse, mis viitab võimalusele luua tõhusaid kolmandaid optilisi harmoonilisi generaatoreid. Mittelineaarse vastuvõtlikkuse tensori x (3) nullist erinevate komponentide olemasolu on kolmanda harmoonilise genereerimise protsessi rakendamiseks vajalik tingimus, kuid selle praktiliseks kasutamiseks kümnete protsendiliste efektiivsusega on faasisobivuse olemasolu. keskmine on vajalik. Tõhus põlvkond

võib saada interakteeruvate lainete kvaasisünkroonsusega kihilistes struktuurides. Fullereeni sisaldavate kihtide paksus peaks olema võrdne koherentse interaktsiooni pikkusega ja neid eraldavate kihtide paksus, mille kuuptundlikkus on praktiliselt null, peaks olema paksusega, mis tagab faasinihke pi põhisageduse ja kolmanda harmoonilise kiirguse vahel.

Fullereenid uute pooljuht- ja nanostruktuursete materjalidena. Fulleriite kui pooljuhte, mille ribalaius on umbes 2 eV, saab kasutada väljatransistori, fotogalvaaniliste seadmete, päikesepatareide loomiseks ja selle kasutamise näiteid on. Vaevalt suudavad nad aga parameetrites konkureerida tavapäraste Si- või GaAs-il põhinevate arenenud tehnoloogiaga seadmetega. Palju lootustandvam on fullereeni molekuli kasutamine valmis nanosuuruses objektina nanoelektrooniliste seadmete ja uutel füüsikalistel põhimõtetel põhinevate seadmete loomiseks.

Näiteks fullereeni molekuli saab asetada substraadi pinnale kindlal viisil, kasutades skaneerivat tunnelmikroskoobi (STM) või aatomjõumikroskoobi (AFM), ja seda saab kasutada teabe salvestamise viisina. Teabe lugemiseks kasutatakse pinna skaneerimist sama sondiga. Sel juhul on 1 bitt teavet 0,7 nm läbimõõduga molekuli olemasolu või puudumine, mis võimaldab saavutada rekordilise teabe salvestamise tiheduse. Selliseid katseid tehakse Bellis. Paljulubavate mäluseadmete jaoks on huvitavad ka haruldaste muldmetallide elementide, nagu terbium, gadoliinium ja düsproosium, endoeedrilised kompleksid, millel on suured magnetmomendid. Fullereenil, milles selline aatom asub, peavad olema magnetdipooli omadused, mille orientatsiooni saab juhtida välise aatomi abil. magnetväli. Need kompleksid (alammonokihilise kile kujul) võivad olla aluseks magnetilisele andmekandjale, mille salvestustihedus on kuni 10^12 bitti/cm^2 (võrdluseks, optilised kettad võimaldavad saavutada pinnasalvestustiheduse 10 ^8 bitti/cm^2).

Joonis 12 . C60 molekulil põhineva ühemolekulilise transistori skemaatiline diagramm

On välja töötatud füüsikalised põhimõtted transistori analoogi loomiseks ühel fullereeni molekulil, mis võib toimida võimendina nanoamprite vahemikus ( riis. 12). Kahepunktilised nanokontaktid asuvad C60 molekuli ühel küljel umbes 1-5 nm kaugusel. Üks elektroodidest on allikas, teine ​​mängib äravoolu rolli. Kolmas elektrood (võrk) on väike piesoelektriline kristall ja see viiakse molekuli teisel küljel van der Waalsi kaugusele. Sisendsignaal suunatakse piesoelektrilisele elemendile (otsale), mis deformeerib elektroodide – allika ja äravoolu vahel paiknevat molekuli ning moduleerib molekulisisese ülemineku juhtivust. Vooluvoolu molekulaarse kanali läbipaistvus sõltub metalli lainefunktsioonide hägustumise astmest fullereeni molekuli piirkonnas. Selle transistoriefekti lihtsaks mudeliks on tunnelibarjäär, mille kõrgust moduleeritakse sõltumatult selle laiusest, st C60 molekuli kasutatakse loodusliku tunnelibarjäärina. Sellise elemendi oletatavateks eelisteks on selle väiksus ja elektronide väga lühike lennuaeg tunnelirežiimis võrreldes ballistilise juhtumiga, seega ka aktiivse elemendi suurem jõudlus. Kaalutakse integratsiooni võimalust, st rohkem kui ühe aktiivse elemendi loomist C60 molekuli kohta.

Süsiniku nanoosakesed ja nanotorud

Pärast fullereenide C60 ja C70 avastamist grafiidi elektrikaare või võimsa laserkiire põlemisel saadud tooteid uurides avastati süsinikuaatomitest koosnevad osakesed, millel on õige kuju ja suurus kümnetest kuni sadade nanomeetriteni ning seetõttu. sai selle nime lisaks fullereenidele ka nanoosakesed .

Tekib küsimus: miks võttis niivõrd kaua aega, et avastada fullereene, mis on saadud nii levinud materjalist nagu grafiit? Sellel on kaks peamist põhjust: esiteks, kovalentne side süsinikuaatomid on väga tugevad: selle purustamiseks on vaja temperatuuri üle 4000 ° C; teiseks on nende tuvastamiseks vaja väga keerulisi seadmeid – ülekandeelektronmikroskoope kõrge eraldusvõimega. Nagu praegu teada, võivad nanoosakesed olla kõige veidrama kujuga. Erinevad süsinikmoodustised esitati tuntud kujul. Praktilisest vaatenurgast pakuvad nanotorud kõige enam huvi nanoelektroonikale, mis nüüd asendab mikroelektroonikat. Need süsiniku moodustised avastas 1991. aastal Jaapani teadlane S. Ijima. Nanotorud on silindrisse valtsitud grafiidi lõplikud tasapinnad, millel võivad olla avatud või suletud otsad. Need moodustised on huvitavad ka puhtteaduslikust vaatenurgast, ühemõõtmeliste struktuuride mudelina. Tõepoolest, nüüd on avastatud ühe seinaga nanotorud läbimõõduga 9 A (0,9 nm). Külgpinnal paiknevad süsinikuaatomid, nagu grafiiditasandilgi, kuusnurksetes sõlmedes, kuid silindreid otstest katvates tassides võivad eksisteerida viisnurgad ja kolmnurgad. Kõige sagedamini moodustatakse nanotorud koaksiaalsete silindrite kujul.

Peamine raskus nanotorude moodustiste omaduste uurimisel seisneb selles, et praegu ei ole neid võimalik saada makroskoopilistes kogustes nii, et torude teljesuunalised teljed oleksid koos suunatud. Nagu juba märgitud, on väikese läbimõõduga nanotorud suurepärane mudel ühemõõtmeliste struktuuride omaduste uurimiseks. Võib eeldada, et nanotorud, nagu grafiit, juhivad hästi elektrit ja võivad olla ülijuhid. Nende suundade uurimine on lähituleviku küsimus.

Füüsikud ja keemikud on fullereenidele leidnud palju kasutusvõimalusi: neid kasutatakse optika uute ühendite sünteesil ja juhtide tootmisel. Pikka aega olid fullereenide bioloogiliste omaduste kohta mitmetähenduslikud andmed: bioloogid kas kuulutasid need mürgiseks või avastasid fullereenide antioksüdantsed omadused ja tegid ettepaneku kasutada neid selliste tõsiste haiguste nagu bronhiaalastma ravis.

Pikaealised rotid

2012. aastal ilmus väljaanne, mis äratas gerontoloogide – vananemisprobleemidega tegelevate spetsialistide – tähelepanu. Selles töös näitasid Tarek Baati ja kaasautorid * muljetavaldavaid tulemusi – oliiviõlis fullereenide suspensiooniga söödetud rotid elasid tavapärasest kaks korda kauem ja lisaks näitasid nad suurenenud resistentsust toksiliste tegurite (nt süsiniktetrakloriidi) suhtes. Selle ühendi toksilisus tuleneb selle võimest tekitada reaktiivseid hapniku liike (ROS), mis tähendab, et fullereenide bioloogilisi toimeid saab suure tõenäosusega seletada nende antioksüdantsete omadustega (võimega "peatada" ja deaktiveerida ROS-i).

* - "Biomolekul" on sellest juba üksikasjalikult rääkinud: « » . - Toim.

Seos reaktiivsete hapnikuliikide ja vananemise käigus toimuvate protsesside vahel on nüüdseks praktiliselt väljaspool kahtlust. Alates 20. sajandi 60ndatest, mil formuleeriti vananemise vabade radikaalide teooria, kuni praeguseni on seda seisukohta kinnitavate andmete hulk vaid kogunenud. Seni pole aga ükski antioksüdant – ei looduslik ega sünteetiline – andnud katseloomade eluiga nii silmatorkavat pikenemist kui Baati ja kolleegide katsetes. Isegi akadeemik Skulatševi juhitud meeskonna poolt spetsiaalselt välja töötatud "sihipärase toimega" antioksüdandid - niinimetatud "Skulachev ioonid" või SkQ-seeria ühendid - näitasid vähem olulist mõju.

Need ained on lipofiilsed, positiivselt laetud molekulid, millele on kinnitatud antioksüdantne “saba”, mis oma struktuuri tõttu on võimelised akumuleeruma mitokondrites (just nendes eukarüootsete rakkude organellides tekivad reaktiivsed hapniku liigid). SkQ seeria ühendid pikendasid aga katsehiirte eluiga keskmiselt vaid 30%.

Joonis 2. Vasakule- hiir, kelle vananemine aeglustub tänu "Skulachev ioonide" tarbimisele, õige- hiir kontrollrühmast.

Miks osutusid fullereenid vananemisvastases võitluses nii tõhusaks?

Pärast selle küsimuse esitamist hakkasime kaaluma fullereenide bioloogilise toime täiendava mehhanismi olemasolu - lisaks juba teadaolevale antioksüdandile. Vihje avastati, kui uuriti üht SkQ seeria ühendit – SkQR1, mis sisaldas rodamiini jääki. See ühendus kuulub rühma protonofoorid- molekulid, mis on võimelised kandma prootoneid membraanidevahelisest ruumist läbi membraani mitokondriaalsesse maatriksisse, vähendades seeläbi transmembraanset potentsiaali (Δψ). Teatavasti tagab just see potentsiaal, mis on tingitud prootonite sisalduse erinevusest membraani eri külgedel, rakus energia tootmise. Samas on see ka ROS-i genereerimise allikas. Sisuliselt on reaktiivsed hapniku liigid siin sarnased energiatootmise "mürgiste jäätmetega". Kuigi neil on mitmeid kasulikke funktsioone, on ROS-id peamiselt DNA, lipiidide ja paljude intratsellulaarsete struktuuride kahjustuste allikaks.

Joonis 3. Mitokondrite struktuuri skeem ( vasakule), prootonite ülekandmine orgaaniliste hapetega – “pehmed lahtisidujad” ( kesklinnas) - ja dinitrofenool - kõige kuulsam lahtihaakija ( õige).

On tõendeid selle kohta, et mitokondriaalse transmembraanse potentsiaali mõningane vähenemine võib olla rakkudele kasulik. Selle vähendamine vaid 10% võrra viib ROS-i tootmise 10-kordse vähenemiseni! On olemas niinimetatud "pehmed lahtiühendajad", mis suurendavad membraanide prootonijuhtivust, mille tulemuseks on hingamise ja ATP fosforüülimise "lahtiühendamine".

Võib-olla kõige kuulsam lahtiühendaja on DNF ehk 2,4-dinitrofenool (joonis 3). Kahekümnenda sajandi 30ndatel kasutati seda väga aktiivselt rasvumise ravis. Tegelikult on dinitrofenool esimene ametlikus meditsiinis kasutatav rasvapõletaja. Selle mõjul lülitub rakk üle alternatiivsele metaboolsele rajale, käivitades rasvade “põletamise” ning rakku saadav energia ei salveeru tavapäraselt ATP-s, vaid eraldub soojuse kujul.

Lihtsate kaalu langetamise viiside otsimine on alati asjakohane nii kaua, kui esindajad Homo Sapiens muretseb nende välimuse pärast; Meie uuringu jaoks on aga huvitavam asjaolu, et sellised "pehmed lahtisidurid" vähendavad ROS-i tootmist ja võivad väikestes annustes aidata eluiga pikendada.

Tekib küsimus: kas fullereenid võivad lisaks antioksüdantsetele omadustele avaldada ka prootonite "kandjate" omadusi, toimides seega mõlemal poolel korraga? Sfääriline fullereeni molekul on ju seest õõnes, mis tähendab, et väikesed osakesed, näiteks prootonid, mahuvad sinna kergesti ära.

Modelleerimine in silico: mida füüsikud tegid

Selle hüpoteesi kontrollimiseks tegi uurimiskeskuse “Aine nanoskaala struktuur” meeskond keerukaid arvutusi. Nagu fullereeni avastamise loos, eelnes meie uuringus katsetele arvutimodelleerimine. Prootonite fullereeni tungimise võimaluse ja laengujaotuse modelleerimine sellises süsteemis viidi läbi tihedusfunktsionaalse teooria (DFT) alusel. See on laialdaselt kasutatav kvantkeemiline arvutustööriist, mis võimaldab molekulide omadusi suure täpsusega arvutada.

Simulatsioonis paigutati üks või mitu prootonit fullereenist väljapoole ja seejärel arvutati välja kõige optimaalsem konfiguratsioon – selline, mille juures oleks süsteemi koguenergia minimaalne. Arvutustulemused näitasid: prootonid võivad fullereeni sisse tungida! Selgus, et C 60 molekuli võib korraga koguneda kuni kuus prootonit, kuid seitsmes ja järgnevad ei suuda enam sisse tungida ja tõrjutakse - tõsiasi on see, et fullereen on prootonitega "laetud". omandab positiivse laengu (ja nagu teada, sarnaselt laetud osakesed tõrjuvad ).

Joonis 4. Positiivse laengu jaotus süsteemis “fullereen + prootonid”. Vasakult paremale: kaks, neli või kuus prootonit fullereeni sees. Värv näitab laengu jaotust: neutraalsest ( punane) nõrgalt positiivseks ( sinine).

See juhtub seetõttu, et fullereeni "palli" sisse tungivad prootonid tõmbavad ligi süsinikuaatomite elektronpilvi, mis viib laengu ümberjaotumiseni süsteemis "prootonid + fullereen". Mida rohkem prootoneid sisemusse tungib, seda tugevam on positiivne laeng fullereeni pinnal, prootonid aga, vastupidi, jõuavad sellele aina lähemale. neutraalsed väärtused. Seda mustrit on näha ka joonisel 4: kui sfääri sees olevate prootonite arv ületab 4, muutuvad need neutraalseks (kollane-oranž värvus) ja fullereeni pind muutub järjest sinisemaks.

Esialgu tehti arvutusi ainult süsteemis "fullereen + prootonid" (arvestamata teiste molekulide mõju). Kuid rakus ei asu fullereen mitte vaakumis, vaid sees veekeskkond, mis on täidetud paljude erineva keerukusastmega ühendustega. Seetõttu lisasid füüsikud modelleerimise järgmises etapis süsteemi 47 fullereeni ümbritsevat veemolekuli ja kontrollisid, kas nende olemasolu mõjutab koostoimet prootonitega. Kuid isegi vee juuresolekul töötas mudel edukalt.

Kas bioloogid kinnitavad hüpoteesi?

Uudised, et fullereenid võivad prootoneid adsorbeerida ja isegi positiivse laengu omandada, inspireerisid biolooge. Näib, et need ainulaadsed molekulid toimivad tegelikult mitmel viisil korraga: nad inaktiveerivad reaktiivseid hapniku liike (eriti hüdroksüülradikaale, sidudes need arvukate kaksiksidemetega), sihivad nende lipofiilsete omaduste ja omandatud positiivse laengu tõttu akumuleerumist mitokondrites ning Lisaks vähendage transmembraanset potentsiaali, kandes prootoneid mitokondritesse, nagu ka teised hingamise ja oksüdatiivse fosforüülimise "pehmed lahtiühendajad".

Fullereenide antioksüdantsete omaduste uurimiseks kasutasime bioluminestseeruvatel bakteriaalsetel biosensoritel põhinevat kiirtestide süsteemi. Biosensorid on antud juhul geneetiliselt muundatud bakterid, mis on võimelised tuvastama ROS-i rakusisese tekke suurenemist ja andma sellest teadlastele märku. Biosensorite loomisel ühe kahjutu Escherichia coli tüve genoomis Escherichia coli kasutusele võetakse kunstlik konstruktsioon, mis koosneb luminestsentsi (hõõguv) geenidest, mis on pandud spetsiifiliste kontrolli alla promootorid- reguleerivad elemendid, mis "lülituvad sisse", kui reaktiivsete hapnikuliikide rakusisene teke suureneb või muude stressitegurite mõjul - näiteks kui DNA on kahjustatud. Kui selline stressifaktor hakkab rakule mõjuma, hakkab bakter hõõguma ja selle sära taseme järgi saab kahjustuse taseme piisava täpsusega määrata.

Joonis 5. Hõõguvad bakterid Petri tassil ( vasakule) ja biosensorite tööpõhimõte ( õige).

Selliseid modifitseeritud tüvesid töötatakse välja Riiklikus Geneetikainstituudis ja neid kasutatakse laialdaselt geneetilises toksikoloogias kiirguse ja oksüdatiivse stressi toimemehhanismide, antioksüdantide (eriti SkQ1) toime uurimisel, aga ka uute tüvede otsimisel. paljutõotavad antioksüdandid keemikute sünteesitud ainete hulgas.

Meie puhul on bakterimudeli kasutamine tingitud järgmisest: bakterid, nagu teada, kuuluvad prokarüootide hulka ja nende rakud on lihtsamad kui eukarüootsed. Eukarüootide mitokondriaalses membraanis toimuvad protsessid realiseeruvad prokarüootidel otse rakumembraanis; selles mõttes on bakterid "nende endi mitokondrid". (Nende organellide ehituse hämmastav sarnasus bakteritega oli omal ajal isegi aluseks nn. sümbiootiline päritoluteooria eukarüootid.) Järelikult on selline mudel üsna sobiv mitokondrites toimuvate protsesside uurimiseks.

Esimesed tulemused näitasid, et C60 fullereeni vesisuspensioon, mida on tõhusama lahustumise tagamiseks töödeldud ultraheliga, suurendas biosensorite kultuurile lisamisel nende vastupanuvõimet reaktiivsete hapnikuliikide põhjustatud DNA kahjustustele. Sellise kahjustuse tase katses oli 50–60% madalam kui kontrollis.

Lisaks registreeriti C60 suspensiooni lisamisel superoksiidi aniooni radikaali spontaanse tootmise taseme langus SoxS-lux tüve rakkudes. Selle tüve eripäraks on just seos selle luminestsentsi taseme ja superoksiidi aniooni radikaali hulga vahel. Täpselt sellist efekti tuleks oodata ühendilt, mis toimib "pehmete lahtisidestajate" põhimõttel - kui transmembraanne potentsiaal väheneb, tekib ROS-i (eriti superoksiidi) väiksemates kogustes.

Saadud tulemused on muidugi väga esialgsed ja töö veel käib, mistõttu on selle jaotise alapealkirjas küsimärk. Aeg näitab, kas suudame selle lõpuks enesekindla hüüatusega asendada. Üks on selge – fullereenid on lähitulevikus paratamatult vananemisprobleeme uurivate ja otsivate teadusrühmade tähelepanu keskpunktis. geroprotektorid- vananemist aeglustavad ained. Ja kes teab, kas neist pisikestest “pallidest” saab nii lühikese inimelu pikendamise lootus?

Tööd viidi läbi Lõuna Föderaalülikooli Bioloogia Uurimisinstituudi eksperimentaalse mutageneesi laboris ja tööstuslike mikroorganismide laboris, samuti Lõuna Föderaalülikooli uurimiskeskuses “Ainete nanoskaala struktuur” juhendamisel. prof. A.V. Soldatova. Töödes kirjeldatakse vastavalt "fullereen + prootonid" süsteemi ja bioloogiliste mõjude modelleerimise peamisi tulemusi:

  1. Chistyakov V.A., Smirnova Yu.O., Prazdnova E.V., Soldatov A.V. (2013). Fullereen C60 antioksüdantse toime võimalikud mehhanismid. Biomed. Res. Int. 2013, 821498 ja
  2. Prazdnova E.V., Tšistjakov V.A., Smirnova Yu.O., Soldatov A.V., Alperovitš I.G. (2013). Fullereen C60 antioksüdantse toime võimalikud mehhanismid. In: II Saksa-Vene interdistsiplinaarne töötuba “Nanodisain: füüsika, keemia ja arvutimodelleerimine”. Rostov Doni ääres, 2013, 23.

Kirjandus

  1. Sokolov V. I., Stankevitš I. V. (1993). Fullereenid on süsiniku uued allotroopsed vormid: struktuur, elektrooniline struktuur ja keemilised omadused. Uspekhi Chemistry 62b, 455;
  2. Buseck P. R., Tsipursky S. J., Hettich R. (1992). Fullereenid geoloogilisest keskkonnast. Teadus 257, 215–217; ;
  3. Eye of the Planets: “Fullerene avastati kosmoses esimest korda”;
  4. Andrievski G.V., Klochkov V.K., Derevjantšenko L.I. Kas C60 fullereeni molekul on mürgine? Või küsimusele: "Millist valgust fullereeni nanotehnoloogia saab - punane või roheline?" . Elektrooniline ajakiri"Kõik ravimid on Internetis!";
  5. Shirinkin S.V., Tšurnosov M.I., Andrievski G.V., Vasilchenko L.V. (2009). Fullereenide kui antioksüdantide kasutamise väljavaated bronhiaalastma patogeneetilises ravis. Kliiniline meditsiin nr 5 (2009), 56–58;
  6. Baati T., Bourasset F., Gharb N. jt. (2012) Biochemistry (Moskva) 73, 1329–1342; ; et al. (2009). Hüdreeritud C 60 fullereeni nanostruktuuride antioksüdantse ja radioprotektiivse toime iseärasused in vitro ja in vivo
  7. . Vaba Radik. Biol. Med. 47, 786–793; ;
  8. Xiao Y., Wiesner M.R. (2012). Tehniliselt valmistatud nanoosakeste pinna hüdrofoobsuse iseloomustus. J. Hazard. Mat. 215, 146–151; ;
  9. Zavilgelsky G.B., Kotova V.Y., Manuhhov I.V. (2007). 1,1-dimetüülhüdrasiini toime bakterirakkudele määratakse vesinikperoksiidi abil. Mutat. Res. 634, 172–176; ;
  10. Prazdnova E.V., Sevrjukov A.V., Novikova E.V. (2011). Toornafta tuvastamine bakteriaalsete Lux biosensorite abil. Ülikoolide uudiseid. Põhja-Kaukaasia piirkond. Loodusteadused nr 4 (2011), 80–83; ;
  11. Prazdnova E.V., Chistyakov V.A., Sazykina M.A., Sazykin I.S., Khatab Z.S. (2012). Vesinikperoksiid ja ultraviolettkiirguse genotoksilisus lainepikkusega 300–400 nm. Ülikoolide uudiseid. Põhja-Kaukaasia piirkond. Loodusteadused nr 1 (2012), 85–87; ;
  12. Chistyakov V.A., Prazdnova E.V., Gutnikova L.V., Sazykina M.A., Sazykin I.S. (2012). Plastokinooni derivaadi 10-(6'-plastokinonüül)detsüültrifenüülfosfooniumi (SkQ1) superoksiidi siduv toime. Biochemistry 77, 932–935; ;
  13. Oludina Yu.N jt (2013). Modifitseeritud steeriliselt takistatud fenoolide süntees ja nende võime uurimine kaitsta bakteriaalset DNA-d ultraviolettkiirguse kahjustuste eest B. Chemical-Pharmaceutical Journal (ilmumisel);