Сотрудники кафедры химической энзимологии химического факультета МГУ с коллегами из НИТУ «МИСиС» создали полифункциональные защитные материалы, способные не только предотвращать попадание токсинов и микробов на кожу, но и полностью уничтожать их. Для этого ученые объединили ферменты, антибиотики и наночастицы металлов.
Материалы со специальными защитными свойствами нужны в самых разных отраслях – от медицины до сельского хозяйства. Для их создания есть несколько путей. Во-первых, можно попробовать сразу создать волокна с защитными свойствами и затем произвести из них ткань или нетканый материал. Во-вторых, можно сделать наоборот: модифицировать уже готовую ткань, придав ей защитные свойства. В любом случае получается материал, который не пропускает опасные вещества, задерживая их на поверхности. При этом важно помнить, что токсины никуда с такого материала не исчезают, и не разлагаются даже при высокотемпературной, жесткой кислотной или щелочной обработке. Поэтому ученые пошли дальше.
«Наш интерес заключался в создании ткани, способной не только задерживать вредные агенты, но и уничтожать их, – рассказала зав. лабораторией экобиокатализа химического факультета МГУ, д.б.н., профессор Елена Ефременко. – В первую очередь мы ввели в состав материала ферменты, способные гидролизовать (и тем самым нейтрализовать) целый ряд токсинов. Поскольку наша работа в основном направлена на защиту людей, работающих в области сельского хозяйства, такими токсинами стали фосфорорганические пестициды и продукты жизнедеятельности микроскопических грибов (микотоксины)».
Выход людей на поля при сборе урожая всегда предполагает контакт с растениями, которые ранее обрабатывались фосфорорганическими веществами. Известно, что отказ от этих препаратов приведет к снижению пищевого валового продукта на 30% по всему миру. Поэтому никакие генетические манипуляции для повышения сопротивляемости растений к насекомым и сорнякам не могут полноценно заменить химическую обработку.
«Проблема заключается в том, что все эти пестициды имеют нервнопаралитическое воздействие на человека, – объяснила Елена Ефременко. – Попасть в организм они могут вместе с едой и жидкостями, а также при вдыхании и через кожу. После этого они начинают накапливаться в тканях и органах человека. Это создает большую угрозу для собирающих урожай. Известно, что около трехсот тысяч людей ежегодно умирают от отравления пестицидами. Контроль осуществляется, но проблему накопления решить не удается».
Помимо химической защиты авторы поставили себе задачу защитить человека еще и от воздействия бактерий. Эффективным решением в этом случае стало добавление антибиотиков в материал, уже содержащий ферменты, разлагающие токсины. Для получения ткани с комплексной защитой необходимо использовать противомикробный препарат, который хорошо комбинируется с ферментом, а иначе компоненты будут негативно воздействовать друг на друга.
«С помощью методов компьютерного моделирования мы попытались подобрать такую пару, – пояснила Елена Ефременко. – Для нас было важно использовать биодеградируемый антибиотик, который не будет загрязнять окружающую среду, но при этом сможет хорошо действовать и не инактивирует фермент. Мы пошли еще дальше: взяли фермент, который может нейтрализовать не только токсины, но еще и сигнальные молекулы, вырабатываемые бактериями для усиления их устойчивости к антибиотикам. Так фермент помогает антимикробному препарату уничтожать бактерии».
Бактерии устроены так, что со временем могут приобрести устойчивость к действию антибиотика, но от металлов они защититься не способны. Авторы впервые обнаружили, что успешно могут быть применены наночастицы тантала. С одной стороны, они вызывают гибель многих бактерий, а с другой – не имеют биологической активности и не повлияют на организм человека.
«Чтобы выяснить остаточные количества микробов и токсинов на тканях, нам пришлось разработать специальную методику, ведь узнать это традиционными методами микробиологии нельзя, – рассказала Елена Ефременко. – Мы проводили экстракцию АТФ – молекул, концентрация которых отражает метаболическую активность клетки. Их содержание является характеристикой, похожей на температуру тела человека. Она выражает нечто суммарное от всех процессов, происходящих в клетках: если концентрация АТФ резко и сильно падает, можно смело говорить об их гибели. Так мы смогли отслеживать эффективность работы наших тканей при нанесении на них микроорганизмов. В итоге нам удалось добиться практически полного уничтожения микробов и токсинов на обработанных материалах».
Сейчас новый материал проходит патентование.
Статья опубликована в журнале International Journal of Molecular Sciences
Источник: msu.ru
Домены PvdQ (PDB 4m1j), покрытые PLE50 (A), PLD50 (B), PEG-PLE50 (C), PEG-PLD50 (D), PLE50-PEG-PLE50 (E) и сукцинилированным желатином (гелофузином) (F ), и, таким образом, способны взаимодействовать с ними в составе фермент-полиэлектролитных комплексов. Вход в активный сайт отмечен стрелкой; он локализуется в полости V-образной белковой молекулы, слегка наклоненной вперед на рисунке для наглядности. © Ilya Lyagin et al./ International Journal of Molecular Sciences, 2022