Сложной биохимической реакцией научились управлять с помощью света

Российские химики совместно с коллегой из США объединили в один процесс две химические реакции с разными условиями протекания и получили реакцию, ход которой можно регулировать с помощью света. Результаты работы будут полезны для поиска новых путей получения необходимых соединений и создания «умных» материалов. Статья с описанием реакций опубликована в журнале ChemCatChem. Исследование поддержано грантом Российского научного фонда (РНФ) в рамках Президентской программы исследовательских проектов.

Авторы работы рассматривали две химические реакции. Первая – окислительно-восстановительная реакция на поверхности частиц оксида титана TiO2 – разложение воды и реакция с поверхностными ОН-группами. Она протекает под действием света. Вторая реакция – образование фермента трипсина, расщепляющего белки и пептиды в процессе пищеварения, из его предшественника, трипсиногена. Эта реакция протекает быстрее при наличии в среде трипсина, то есть чем дольше идет реакция, тем сильнее она ускоряется.

Обе реакции ученые проводят в гидрогеле, и они оказываются связаны за счет взаимопроникновения веществ в результате хаотичного движения атомов или молекул. Так исходные вещества, продукты и условия реакций воздействуют друг на друга. Для реакции окисления-восстановления нужен свет — его ученые направляют на гидрогель. Кроме того, излучают и трипотофановые остатки – соединения, входящие в состав трипсина. При облучении реакция на поверхности оксида титана повышает кислотность среды, что проявляется в уменьшении водородного показателя, pH. К кислотности чувствительна реакция синтеза трипсина: она наиболее интенсивна при pH=8, в более кислой среде она замедляется. Дополнительно ее затрудняет образование активных форм кислорода на диоксиде титана. Таким образом, можно управлять ходом всей реакции, меняя освещенность частиц диоксида титана.

Исследованные реакции помогают лучше понять, как регулируются сложные процессы в живых клетках. Соединяя похожим образом несколько химических реакций, можно получать управляемые системы, пригодные для синтеза различных соединений.

«Жизнь биологической клетки контролируется каскадом биохимических реакций, например, передачей импульсов по нейронным сетям, расщеплением употребляемой пищи до белков, жиров и углеводов, метаболизмом и другими. Протекающие в клетке реакции контролируют не только ее деление и рост, но и ее взаимодействие с окружающей средой, в том числе с другими клетками. Таким образом, влияя на каскад биохимических реакций, протекающих в клетке, мы может контролировать и программировать ее поведение. В свою очередь, объединение нескольких химических подсистем в единую систему является привлекательным способом разработки новых функциональных материалов для этих целей», – прокомментировала работу один из авторов статьи, профессор Университета ИТМО Екатерина Скорб.

Системы, подобные рассмотренной в статье, можно также использовать для исследования того, как реакции на поверхности наночастиц влияют на активность ферментов. Еще одно перспективное направление – оценка токсичности наночастиц для конкретного организма и изучение молекулярных механизмов, лежащих в основе токсичности.