Ученые ТПУ разработали суперчувствительные сенсоры для «зеркальных молекул»
Суперчувствительные сенсоры для обнаружения в лекарствах «зеркальных молекул» — энантиомеров - создали ученые Томского политехнического университета совместно с коллегами из Чехии. Такие молекулы могут снижать эффективность лекарств или даже быть вредными для человека, сообщает пресс-служба вуза.
Эксперименты показали, что разработанные сенсоры являются лидерами по чувствительности по сравнению с традиционными методами. В качестве ловушек для энантиомеров в них использованы металлоорганические каркасы. Результаты работы опубликованы в журнале Applied Materials Today (IF: 8,013; Q1).
Энантиомеры — это молекулы с одинаковой формулой и физическими свойствами, однако у них разные направления вращения поляризационного света. Поэтому они являются как бы зеркальными отражениями друг друга. Из-за этого отличия энантиомеры могут оказывать разный биологический эффект.
«Такие молекулы называются хиральными, большое их число входит в состав лекарственных веществ. Их наличие жестко регламентируется: лекарство должно или не содержать энантиомеры вовсе, или необходимо доказать, что их присутствие не несет опасности для здоровья. Поэтому нужны способы быстро и эффективно детектировать энантиомеры. Сейчас для этого используют электрохимические методы и хроматографию. Их предел обнаружения обычно не превышает 10-8 моль на литр. Наши сенсоры показали предел обнаружения на уровне до 10-18, то есть они чувствительнее на десять порядков. Это при том, что хроматография — это еще и дорогостоящий метод», — говорит один из авторов статьи, научный сотрудник Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий ТПУ Ольга Гусельникова (группа доцента Постникова П.С.).
Сенсор представляет собой тонкую золотую пластину с волнообразной поверхностью. Такие пластины коллектив использовал и в других своих работах. Однако теперь исследователям удалось привить на поверхность пластинки металлоорганические каркасы, состоящие из ионов цинка и органических элементов. Это пористая структура, которая буквально «захватывает» нужные вещества. Происходит это благодаря правильно подобранному размеру пор в каркасе и сходной химической природе соединений, которые нужно «поймать».
В частности, исследователи проводили эксперименты с каркасом, в состав которого входит молочная кислота. Она сама по себе является оптически активной, поэтому металлоорганические каркасы на основе ее энантиомеров могут быть ловушкой для других оптически активных веществ. В своих экспериментах исследователи проверяли такую сенсорную конструкцию на лекарстве против болезни Паркинсона и ряде аминокислот.
На пластинку достаточно капнуть раствор вещества, которое нужно изучить. Дальнейший анализ можно проводить с помощью портативного рамановского спектрометра, что занимает менее пяти минут.
«Наш сенсор усиливает сигнал для спектрометра сразу двумя методами. И в этом особое значение этого исследования. С одной стороны, физически сигнал усиливается за счет эффекта поверхностного плазмонного резонанса — его дает золотая пластинка. С другой, наши металлоорганические каркасы усиливают сигнал химически. Мы одни из первых продемонстрировали сенсорную систему, которая комбинирует два метода усиления рамановского сигнала», — отмечает исследователь.
По ее словам, такие сенсоры в перспективе можно использовать не только для контроля качества лекарств, но и в экологическом мониторинге — для обнаружения загрязнителей в воде и почве.
Исследование ведется в сотрудничестве с учеными из Университета химии и технологии Праги и Университета Яна Пуркине (Чехия).
Об опасности неисследованных энантиомеров в лекарствах заговорили в середине XX века после «талидомидовой трагедии». Талидомид — популярное снотворное, которое прописывали беременным в странах Европы, в Австралии и США. Как позже выяснилось, оно стало причиной врожденных пороков развития у детей, чьи матери принимали талидомид. Все дело было в энантиомерах. Один из них обеспечивал терапевтический эффект препарата, в то время как второй внедрялся в клеточную ДНК и препятствовал нормальному процессу репликации, необходимому для деления клеток и развития зародыша. «Талидомидовая трагедия» заставила многие страны пересмотреть существующую практику лицензирования лекарственных средств и ужесточить требования к лицензируемым препаратам.
На иллюстрации изображен принцип работы сенсоров