eng
Выпуск #6/2021
Химия в фокусе. Анонсы свежих публикаций из информационного бюллетеня Российского химического общества им. Д. И. Менделеева
Просмотры: 1146
Химия в фокусе
Анонсы свежих публикаций из информационного бюллетеня
Российского химического общества им. Д. И. Менделеева
Алгоритмы искусственного интеллекта в сочетании с оптической темнопольной микроскопией для идентификации микропластика в клетках
Растущий объем пластиковых отходов и их постепенный распад на микро- и наноразмерные частицы под действием природных факторов вызывает серьезные опасения со стороны экологического сообщества. В этой связи разработка автоматического метода обнаружения микропластика внутри живых клеток и организмов имеет решающее значение для высокопроизводительного анализа их биораспределения в исследованиях токсичности.
Ученые лаборатории бионанотехнологии Казанского федерального университета предложили использовать алгоритмы искусственного интеллекта для идентификации частиц микропластика в фибробластах кожи человека. Модельными образцами микропластика служили окрашенные различными красителями полистироловые частицы, которые инкубировались вместе с клетками. Затем, для визуализации частиц в растворе и клетках, экспериментаторы применили высококонтрастную микроскопию темного поля. Полученные данные загружали в модель остаточной нейронной сети (ResNet) для ее обучения и тестирования. Созданная нейросетевая модель позволила определить класс частиц с точностью, сопоставимой с методом идентификации по спектральным характеристикам.
Реализованный подход имеет большой потенциал использования для скрининга микропластика во множестве образцов, поскольку значительно сокращает время получения данных, исключив необходимость гиперспектральной съемки, при этом сохранив требуемый уровень чувствительности.
Работа поддержана грантом РНФ 21-73-00097.
Источник: https://doi.org/10.1007/s00216-021-03749‑y
Новые соединения редкоземельных элементов
Исследователи из Москвы, Санкт-Петербурга и Дубны впервые синтезировали и описали новые соединения, являющиеся первыми представителями солей редкоземельных элементов и молочной кислоты. Современная химия дает возможность получения огромного количества новых соединений, и поистине бесконечные комбинации строительных кирпичиков, из которых их можно «собирать», делают это интересной и увлекательной задачей. Редкоземельные элементы придают веществам уникальные свойства – прежде всего люминесцентные и магнитные, не меньший интерес вызывает и их биологическая активность. Химию редкоземельных элементов изучают многие десятки лет, поэтому обнаружение ранее неизвестных соединений кажется невыполнимой задачей. Но оказалось, что еще многое ждет своих первооткрывателей!
Например, соединения редкоземельных элементов с молочной кислотой, которая относится к так называемым a-гидроксикислотам, синтезировать до сих пор никому не удавалось.
Коллектив ученых из Института общей и неорганической химии им. Н. С. Курнакова РАН, Петербургского института ядерной физики НИЦ «Курчатовский институт», Национального исследовательского университета Высшей школы экономики, Российского химико-технологического университета им. Д. И. Менделеева и Лаборатории нейтронной физики им. И. М. Франка Объединенного института ядерных исследований осуществил синтез нового кристаллического лактата иттрия, а также аморфного лактата иттрия с чрезвычайно необычной структурой.
«Многие соединения редкоземельных элементов проявляют биологическую активность, и их можно использовать для диагностики и терапии различных заболеваний. Для понимания механизма такой активности нужно знать, как ионы редкоземельных элементов взаимодействуют с органическими веществами, участвующими в метаболизме. Одним из таких важных веществ является молочная кислота, которая формируется в организме человека при распаде глюкозы и является маркером различных нарушений, вызванных гипоксией. Исследования химического взаимодействия редкоземельных элементов с молочной кислотой были начаты много лет назад, но, как ни странно, кристаллических лактатов никто до нас получить не смог. Кстати, о солях редкоземельных элементов с другими a-гидроксикислотами известно еще меньше. Мы предложили стратегию синтеза и смогли выделить кристаллы первой соли редкоземельного элемента и молочной кислоты – лактата иттрия, – комментирует научный сотрудник Лаборатории синтеза функциональных материалов и переработки минерального сырья ИОНХ РАН Алексей Япрынцев.
Интересно, что если немного изменить предложенные нами условия синтеза (уменьшить количество молочной кислоты), то можно получить похожее по составу вещество, которое образует не кристаллы, а гель, состоящий из тончайших (около 30 нм) волокон. Соединения РЗЭ крайне редко образуют гели, а волокнистые гели вообще практически не изучены. Если аккуратно высушить такой гель, образуется прочный гибкий материал, напоминающий обычную бумагу.
Мы считаем, что полученные нами соединения открывают возможности для создания новых люминесцентных тест-систем для обнаружения органических соединений в воздухе. Новые знания о соединениях редкоземельных элементов с органическими соединениями, участвующими в метаболизме, важны для создания систем контроля за состоянием организма человека».
Результаты исследований опубликованы в журнале RSC Advances: https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2021/RA/D1RA05923H.
Работа поддержана Министерством науки и высшего образования Российской Федерации (№ 075-15-2020-782).
Источник: https://doi.org/10.1039/D1RA05923H
Новый метод оценки биобезопасности каталитических процессов
В последние десятилетия зеленая химия становится все более мощной движущей силой, как для улучшения существующих химических процессов, так и для разработки новых технологий. Для оценки экологичности химических реакций были разработаны различные числовые индексы, такие как фактор окружающей среды, эффективность реакционной массы, углеродная эффективность и др. Сегодня количественные экологические показатели являются активно развивающейся научной областью, которая оказывает сильное влияние на многие исследовательские и промышленные проекты.
Исследовательской группой ИОХ РАН под руководством академика В. П. Ананикова предложен способ быстрой визуальной оценки потенциального биологического воздействия химических процессов на живые клетки. Он реализуется через построение биопрофилей, основанных на данных о цитотоксичности. Полученные биопрофили указывают на вещества с наибольшим и наименьшим вкладом в «общую цитотоксичность» исследуемого химического процесса. Рассчитанные на их основе биофакторы легко показывают изменение «общей цитотоксичности» в ходе реакции. Эта информация может быть полезна и важна для последующей оптимизации различных химических процессов с точки зрения токсичности их компонентов.
Результаты проведенного исследования помещены на обложку высокорейтингового журнала Green Chemistry.
Источник: https://doi.org/10.1039/d1gc00207d.
Самособирающиеся нанопровода для «зеленой» органической электроники
Три главных вызова, стоящих перед современной микроэлектроникой – это использование органических материалов, миниатюризация элементов готовых устройств и минимизация влияния используемых материалов на окружающую среду.
Молодые ученые из Института физической химии и электрохимии им. А. Н. Фрумкина совместно с коллегами из Института общей и неорганической химии им. Н. С. Курнакова РАН, а также из МГУ им. М. В. Ломоносова разработали метод получения проводящих наноструктур («нанопроводов»), который позволяет решить все эти задачи. Авторы используют способность органических молекул к самопроизвольной, так называемой супрамолекулярной, сборке с помощью слабых межмолекулярных связей, удерживающих молекулы вместе за счет большого числа контактов. Именно этот принцип лежит в основе самосборки сложных биологических объектов: мембран, клеток, тканей.
Нанопровода были собраны из готовых супрамолекулярных блоков размером 2 нм, синтезированных из фталоцианинов – синтетических красителей циклического строения, обладающих полупроводниковыми свойствами и широко используемых в органической электронике. К фталоцианинам добавили краун-эфирные группы (циклические молекулы-«ловушки» для катионов металлов) и соединили между собой в пары ионами редкоземельных элементов. Несмотря на сложность молекулярного строения отдельного блока, процесс получения из них нанопроводов очень прост – достаточно добавить к ним соль калия. Катионы калия связываются с краун-эфирными ловушками соседних блоков и собирают их в одномерные стопки длиной до 100 микрон. Такие нанопровода практически не имеют дефектов и проводят электрический ток в 50 раз эффективнее других известных материалов на основе фталоцианинов. Простота метода открывает возможность для его адаптации к реальному производству новых компактных оптоэлектронных устройств.
Самосборка и ориентация в электрическом поле – это не все преимущества супрамолекулярных нанопроводов по сравнению с традиционными проводящими полимерами. Сравнительная «слабость» связей между молекулами в нанопроводах становится их сильной стороной и позволяет решать одну из самых сложных проблем современной химии, связанную с предотвращением выброса микропластика в окружающую среду при утилизации полимеров. Ученые показали, что готовые супрамолекулярные нанопровода, устойчивые в обычных условиях работы электронных устройств, можно быстро разобрать до исходных молекул в специальном растворителе без образования побочных продуктов, которые могли бы повредить окружающую среду. Технология позволяет сохранить ценные соединения, содержащие редкоземельные металлы, в процессе утилизации отработанного чипа и использовать их снова для сборки нового устройства. Молодые исследователи уверены, что технологии, основанные на супрамолекулярной сборке, способны обеспечить будущий прогресс в области «зеленой» безотходной микроэлектроники, а получаемые с помощью этой технологии проводящие наноструктуры станут надежной альтернативой для трудно разлагаемых проводящих полимеров.
Работа поддержана грантом РНФ № 19-73-00025.
Источник: https://doi.org/10.1021/acs.inorgchem.1c02147
Новый метод оценки конформационных изменений белков на основе микрочипов
Терапевтические препараты пептидной и протеиновой природы (например, антитела, гормоны и ферменты) широко применяются для лечения онкологических и аутоиммунных заболеваний, профилактики и предотвращения инфекций. Различные пептиды используются в качестве коммерческих биотехнологических продуктов в лабораторных исследованиях, а также в пищевой и биофармацевтической промышленности.
Химическая лабильность пространственной структуры белков является существенным недостатком, поскольку может негативно сказываться на технологических и фармацевтических свойствах препаратов на их основе. Денатурация – потеря нативной конформации белка – может происходить в процессе производства, очистки, транспортировки и доставки лекарств пациенту.
В работе исследователей из Центра структурной биологии и биоинформатики Брюссельского университета разработан новый метод, основанный на использовании белковых микрочипов с плотностью около 2 500 образцов / см2 и инфракрасной визуализации с преобразованием Фурье (FTIR) для анализа структурных модификаций 85 белков, характеризующихся широкими различиями вторичной структуры, нативных или подвергнутых легкой денатурации. Метод разрешения многомерных кривых с чередованием наименьших квадратов (MCR-ALS) использовался для моделирования нового спектрального компонента, появляющегося в наборе белков в условиях денатурации. Было обнаружено, что для нативных белков достаточно шести компонентов для успешного моделирования спектров. Кроме того, их форма позволила отнести белковые структуры к α-спирали, β-листу и другим структурам. Содержание этих структур в каждом белке коррелировало с известной вторичной структурой белка. В денатурированных белках был смоделирован новый компонент с помощью MCR-ALS. Этот новый компонент может быть отнесен к межмолекулярному β-слою, соединяющему молекулы белка. Таким образом, MCR-ALS выявил потенциальный спектроскопический маркер агрегации белка и позволил провести полуколичественную оценку его содержания. Было также получено представление о других структурных перестройках веществ.
Источник:
https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.analchem.1c01416
Биолюминесцентная бактерия как сенсор для оценки токсичности нефтяных углеводородов
Сотрудники кафедры природных ресурсов Технологического университета Исфахана (Иран) описали методику оценки содержания в водных образцах токсичных нефтепродуктов. Для этих целей они использовали морскую грамотрицательную факультативно-анаэробную непатогенную бактерию Aliivibrio fischeri, распространенную по всему миру, преимущественно в умеренных и субтропических водах. Эта бактерия может быть как свободноживущей, так и существующей в виде симбионта, в светопроизводящих органах некоторых видов кальмаров и рыб. Особенность ее заключается в том, что при оптимальных условиях окружающей среды она излучает сине-зеленый свет, что и послужило основой методики. Биолюминесценция тесно связана с клеточным метаболизмом бактерий, поэтому при выраженном токсическом действии ее интенсивность падает.
В процессе исследования определены оптимальные условия для проведения тестирования, такие как температура, кислотность и состав среды, а также установлена наиболее подходящая фаза роста A. fischeri, соответствующая максимальной интенсивности свечения.
Для исследования опытного образца необходимо добавить его в культуру бактерий и провести долгосрочное исследование с фотофиксацией. После шестичасового выдерживания образца в темноте можно проводить сравнение интенсивности фотолюминесценции с контрольными образцами без нефтепродуктов, в которых токсическое действие отсутствует, и наблюдается более яркое свечение. Загрязненность образца нефтепродуктами определяется по количественной разнице в показателях бактериальной люминесценции.
Нефтяные углеводороды, поступающие в окружающую среду во время разведки, добычи, хранения, транспортировки, переработки и потребления нефти, приводят к обширному загрязнению наземных и водных экосистем. Биологические методы, включая полноценные биотестирования и компактные биосенсоры, отражающие реакцию живых организмов на токсичность и другие изменения в окружающей среде, обладают определенными достоинствами, такими как экономическая эффективность, быстрая реакция, высокая чувствительность, простота выполнения и надежность результатов.
Применение люминесцентных бактерий также может стать удобным инструментом для предварительной оценки токсичности нефтяных углеводородов без проведения химических анализов и применения сложных методик, таких как стандартная оценка роста и репродуктивной активности рыб и водных ракообразных.
Источник: https://doi.org / 10.1016 / j.ecoenv.2020.111554
Мультиплексное обнаружение ионов тяжелых металлов с помощью плазмонных наносенсоров
Научная группа из Китая разработала и протестировала мультиплексные плазмонные наносенсоры с позиционно-кодированными аптамерными наностержнями золота для одновременного обнаружения двух разных ионов тяжелых металлов (Pb2+ и Hg2+) в небольших пробах воды. Полученные результаты показывают потенциал плазмонных наносенсоров для быстрого и прямого обнаружения большого количества различных ионов тяжелых металлов, что очень важно для мониторинга качества воды.
Исследователи воспользовались тем фактом, что наностержни золота сильно поглощают и рассеивают свет в видимой и ближней инфракрасной области благодаря оптическим свойствам плазмонно-резонансных частиц. Спектральный темнопольный микроскоп в ближнем инфракрасном диапазоне использовался в качестве платформы для обнаружения ионов тяжелых металлов.Чтобы продемонстрировать предел обнаружения и точность спектральной визуализации плазмонных наносенсоров использовали ионы Pb2+ и Hg2+, а также разработанные для них распознающие аптамеры (анти-Hg2+ аптамер и анти-Pb2+ аптамер), которые использовали для функционализации наностержней золота. Ионы Pb2+ и Hg2+ специфически связываются с наностержнями золота, функционализированными соответствующими аптамерами, и индуцируют спектральный сдвиг в их плазмонных резонансах. Спектральный темнопольный микроскоп способен измерять такой спектральный сдвиг с относительно высоким временным разрешением и точностью.
Результаты исследования показывают, что предел обнаружения системы плазмонных наносенсоров составляет около 5 нМ для ионов Pb2+ и 1 нМ для ионов Hg2+.
Для оценки селективности одиночных плазмонных наносенсоров использовали несколько других конкурирующих ионов металлов, включая Ag+, Cu2+, Zn2+, и Ni2+ в качестве контрольных аналитов. При этом не наблюдалось значительного отклика для контрольной смеси, содержащей 0,2 мкМ вышеупомянутых ионов металла. Тем не менее, датчики демонстрировали заметную реакцию для смеси раствора, содержащей 0,2 мкМ ионов Pb2+ и Hg2+. Кроме этого, работоспособность наносенсоров проверяли на реальных образцах питьевой воды, где наблюдался небольшой спектральный сдвиг для ионов Pb2+, в то время как наностержни золота, функционализированные аптамерами для Hg2+, не показали никакого отклика.
Таким образом, предложенный метод и результаты исследования демонстрируют наномолярную чувствительность и высокий потенциал для мультиплексного обнаружения ионов тяжелых металлов в воде.
Источник: https://doi.org/10.1016/j.bios.2021.113688
Новый хеморезистивный сенсор для селективного обнаружения метана
Метан – потенциально взрывоопасный газ без цвета и запаха, обладающий к тому же мощным парниковым эффектом. Такие свойства метана, как летучесть и неполярность, делают его селективное обнаружение непростой задачей. Недавно был предложен новый недорогой и маломощный хеморезистивный сенсор на основе одностенных углеродных нанотрубок и молекулярного комплекса платина-полиоксометалат. Для образования комплекса с предкатализатором (платина-полиоксометалат), углеродные нанотрубки были предварительно нековалентно модифицированы поли(4‑винилпиридином). Предполагается, что хеморезистивный отклик сенсора связан с образованием высоковалентного интермедиата платины во время окисления метана. Хемосенсор проявил большую селективность в отношении метана по сравнению с более тяжелыми углеводородами, такими как н-гексан, бензол, толуол, о-ксилол, а также другими газами, включая углекислый газ и водород. Сенсор функционирует при комнатной температуре, а также проявляет стабильность в воздушной и влажной среде. Продемонстрирована возможность использования сенсора для детекции метана с помощью ручного ампервольтомметра.
Полученный сенсор может быть использован для обнаружения утечек метана в жилых домах, производственных помещениях и трубопроводах, в том числе с помощью переносных детекторов.
Источник: https://doi.org/10.1073/pnas.2022515118
Биосенсор для распознавания нуклеиновых кислот SARS-CoV‑2 на основе графенового полевого транзистора и ДНК-зондов
Быстрый скрининг инфицированных людей в большой популяции – эффективное средство для сдерживания вспышек эпидемий, таких как COVID‑19. Золотой стандарт диагностики COVID‑19 основан на полимеразной цепной реакции (ПЦР) с обратной транскрипцией, которая не подходит для скрининга большой популяции из-за трудоемких процедур экстракции и амплификации нуклеиновых кислот. Авторы разработали прямой способ обнаружения нуклеиновых кислот SARS-CoV‑2 с использованием графенового полевого транзистора (g-FET) с Y-образными двойными зондами ДНК. Анализ основан на использовании Y-двойных зондов, нанесенных на g-FET, мишенями которых служат сразу два гена SARS-CoV‑2 (ORF1ab и N), что обеспечивает высокий коэффициент распознавания нуклеиновых кислот SARS-CoV‑2 с пределом обнаружения до трех копий в 100 мкл тестового раствора. Этот анализ обеспечивает самое быстрое на сегодняшний день тестирование содержания целевых нуклеиновых кислот (~1 мин), что на 1–3 порядка быстрее, чем существующие методы диагностики.
Благодаря интеграции с портативной микроэлектронной системой, тесты на COVID‑19 могут проводиться в аэропортах, на вокзалах, в местных клиниках и даже дома. Принимая во внимание такие преимущества, как быстрая диагностика, высокая чувствительность, простота эксплуатации, низкая стоимость, портативность и интеграция, биосенсор g-FET с Y-образным двойным зондом может применяться для скрининга COVID‑19. Помимо обнаружения SARS-CoV‑2, за счет замены зондов, в будущем ожидается сверхточная и быстрая диагностика других инфекционных заболеваний.
Источник: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.1c06325
Составители бюллетеня: д. б. н. Р. Ф. Фахруллин (КФУ), чл.‑ корр. РАН В. К. Иванов (ИОНХ РАН)
и чл.‑ корр. РАН Ю. Г. Горбунова (ИОНХ РАН)
Анонсы свежих публикаций из информационного бюллетеня
Российского химического общества им. Д. И. Менделеева
Алгоритмы искусственного интеллекта в сочетании с оптической темнопольной микроскопией для идентификации микропластика в клетках
Растущий объем пластиковых отходов и их постепенный распад на микро- и наноразмерные частицы под действием природных факторов вызывает серьезные опасения со стороны экологического сообщества. В этой связи разработка автоматического метода обнаружения микропластика внутри живых клеток и организмов имеет решающее значение для высокопроизводительного анализа их биораспределения в исследованиях токсичности.
Ученые лаборатории бионанотехнологии Казанского федерального университета предложили использовать алгоритмы искусственного интеллекта для идентификации частиц микропластика в фибробластах кожи человека. Модельными образцами микропластика служили окрашенные различными красителями полистироловые частицы, которые инкубировались вместе с клетками. Затем, для визуализации частиц в растворе и клетках, экспериментаторы применили высококонтрастную микроскопию темного поля. Полученные данные загружали в модель остаточной нейронной сети (ResNet) для ее обучения и тестирования. Созданная нейросетевая модель позволила определить класс частиц с точностью, сопоставимой с методом идентификации по спектральным характеристикам.
Реализованный подход имеет большой потенциал использования для скрининга микропластика во множестве образцов, поскольку значительно сокращает время получения данных, исключив необходимость гиперспектральной съемки, при этом сохранив требуемый уровень чувствительности.
Работа поддержана грантом РНФ 21-73-00097.
Источник: https://doi.org/10.1007/s00216-021-03749‑y
Новые соединения редкоземельных элементов
Исследователи из Москвы, Санкт-Петербурга и Дубны впервые синтезировали и описали новые соединения, являющиеся первыми представителями солей редкоземельных элементов и молочной кислоты. Современная химия дает возможность получения огромного количества новых соединений, и поистине бесконечные комбинации строительных кирпичиков, из которых их можно «собирать», делают это интересной и увлекательной задачей. Редкоземельные элементы придают веществам уникальные свойства – прежде всего люминесцентные и магнитные, не меньший интерес вызывает и их биологическая активность. Химию редкоземельных элементов изучают многие десятки лет, поэтому обнаружение ранее неизвестных соединений кажется невыполнимой задачей. Но оказалось, что еще многое ждет своих первооткрывателей!
Например, соединения редкоземельных элементов с молочной кислотой, которая относится к так называемым a-гидроксикислотам, синтезировать до сих пор никому не удавалось.
Коллектив ученых из Института общей и неорганической химии им. Н. С. Курнакова РАН, Петербургского института ядерной физики НИЦ «Курчатовский институт», Национального исследовательского университета Высшей школы экономики, Российского химико-технологического университета им. Д. И. Менделеева и Лаборатории нейтронной физики им. И. М. Франка Объединенного института ядерных исследований осуществил синтез нового кристаллического лактата иттрия, а также аморфного лактата иттрия с чрезвычайно необычной структурой.
«Многие соединения редкоземельных элементов проявляют биологическую активность, и их можно использовать для диагностики и терапии различных заболеваний. Для понимания механизма такой активности нужно знать, как ионы редкоземельных элементов взаимодействуют с органическими веществами, участвующими в метаболизме. Одним из таких важных веществ является молочная кислота, которая формируется в организме человека при распаде глюкозы и является маркером различных нарушений, вызванных гипоксией. Исследования химического взаимодействия редкоземельных элементов с молочной кислотой были начаты много лет назад, но, как ни странно, кристаллических лактатов никто до нас получить не смог. Кстати, о солях редкоземельных элементов с другими a-гидроксикислотами известно еще меньше. Мы предложили стратегию синтеза и смогли выделить кристаллы первой соли редкоземельного элемента и молочной кислоты – лактата иттрия, – комментирует научный сотрудник Лаборатории синтеза функциональных материалов и переработки минерального сырья ИОНХ РАН Алексей Япрынцев.
Интересно, что если немного изменить предложенные нами условия синтеза (уменьшить количество молочной кислоты), то можно получить похожее по составу вещество, которое образует не кристаллы, а гель, состоящий из тончайших (около 30 нм) волокон. Соединения РЗЭ крайне редко образуют гели, а волокнистые гели вообще практически не изучены. Если аккуратно высушить такой гель, образуется прочный гибкий материал, напоминающий обычную бумагу.
Мы считаем, что полученные нами соединения открывают возможности для создания новых люминесцентных тест-систем для обнаружения органических соединений в воздухе. Новые знания о соединениях редкоземельных элементов с органическими соединениями, участвующими в метаболизме, важны для создания систем контроля за состоянием организма человека».
Результаты исследований опубликованы в журнале RSC Advances: https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2021/RA/D1RA05923H.
Работа поддержана Министерством науки и высшего образования Российской Федерации (№ 075-15-2020-782).
Источник: https://doi.org/10.1039/D1RA05923H
Новый метод оценки биобезопасности каталитических процессов
В последние десятилетия зеленая химия становится все более мощной движущей силой, как для улучшения существующих химических процессов, так и для разработки новых технологий. Для оценки экологичности химических реакций были разработаны различные числовые индексы, такие как фактор окружающей среды, эффективность реакционной массы, углеродная эффективность и др. Сегодня количественные экологические показатели являются активно развивающейся научной областью, которая оказывает сильное влияние на многие исследовательские и промышленные проекты.
Исследовательской группой ИОХ РАН под руководством академика В. П. Ананикова предложен способ быстрой визуальной оценки потенциального биологического воздействия химических процессов на живые клетки. Он реализуется через построение биопрофилей, основанных на данных о цитотоксичности. Полученные биопрофили указывают на вещества с наибольшим и наименьшим вкладом в «общую цитотоксичность» исследуемого химического процесса. Рассчитанные на их основе биофакторы легко показывают изменение «общей цитотоксичности» в ходе реакции. Эта информация может быть полезна и важна для последующей оптимизации различных химических процессов с точки зрения токсичности их компонентов.
Результаты проведенного исследования помещены на обложку высокорейтингового журнала Green Chemistry.
Источник: https://doi.org/10.1039/d1gc00207d.
Самособирающиеся нанопровода для «зеленой» органической электроники
Три главных вызова, стоящих перед современной микроэлектроникой – это использование органических материалов, миниатюризация элементов готовых устройств и минимизация влияния используемых материалов на окружающую среду.
Молодые ученые из Института физической химии и электрохимии им. А. Н. Фрумкина совместно с коллегами из Института общей и неорганической химии им. Н. С. Курнакова РАН, а также из МГУ им. М. В. Ломоносова разработали метод получения проводящих наноструктур («нанопроводов»), который позволяет решить все эти задачи. Авторы используют способность органических молекул к самопроизвольной, так называемой супрамолекулярной, сборке с помощью слабых межмолекулярных связей, удерживающих молекулы вместе за счет большого числа контактов. Именно этот принцип лежит в основе самосборки сложных биологических объектов: мембран, клеток, тканей.
Нанопровода были собраны из готовых супрамолекулярных блоков размером 2 нм, синтезированных из фталоцианинов – синтетических красителей циклического строения, обладающих полупроводниковыми свойствами и широко используемых в органической электронике. К фталоцианинам добавили краун-эфирные группы (циклические молекулы-«ловушки» для катионов металлов) и соединили между собой в пары ионами редкоземельных элементов. Несмотря на сложность молекулярного строения отдельного блока, процесс получения из них нанопроводов очень прост – достаточно добавить к ним соль калия. Катионы калия связываются с краун-эфирными ловушками соседних блоков и собирают их в одномерные стопки длиной до 100 микрон. Такие нанопровода практически не имеют дефектов и проводят электрический ток в 50 раз эффективнее других известных материалов на основе фталоцианинов. Простота метода открывает возможность для его адаптации к реальному производству новых компактных оптоэлектронных устройств.
Самосборка и ориентация в электрическом поле – это не все преимущества супрамолекулярных нанопроводов по сравнению с традиционными проводящими полимерами. Сравнительная «слабость» связей между молекулами в нанопроводах становится их сильной стороной и позволяет решать одну из самых сложных проблем современной химии, связанную с предотвращением выброса микропластика в окружающую среду при утилизации полимеров. Ученые показали, что готовые супрамолекулярные нанопровода, устойчивые в обычных условиях работы электронных устройств, можно быстро разобрать до исходных молекул в специальном растворителе без образования побочных продуктов, которые могли бы повредить окружающую среду. Технология позволяет сохранить ценные соединения, содержащие редкоземельные металлы, в процессе утилизации отработанного чипа и использовать их снова для сборки нового устройства. Молодые исследователи уверены, что технологии, основанные на супрамолекулярной сборке, способны обеспечить будущий прогресс в области «зеленой» безотходной микроэлектроники, а получаемые с помощью этой технологии проводящие наноструктуры станут надежной альтернативой для трудно разлагаемых проводящих полимеров.
Работа поддержана грантом РНФ № 19-73-00025.
Источник: https://doi.org/10.1021/acs.inorgchem.1c02147
Новый метод оценки конформационных изменений белков на основе микрочипов
Терапевтические препараты пептидной и протеиновой природы (например, антитела, гормоны и ферменты) широко применяются для лечения онкологических и аутоиммунных заболеваний, профилактики и предотвращения инфекций. Различные пептиды используются в качестве коммерческих биотехнологических продуктов в лабораторных исследованиях, а также в пищевой и биофармацевтической промышленности.
Химическая лабильность пространственной структуры белков является существенным недостатком, поскольку может негативно сказываться на технологических и фармацевтических свойствах препаратов на их основе. Денатурация – потеря нативной конформации белка – может происходить в процессе производства, очистки, транспортировки и доставки лекарств пациенту.
В работе исследователей из Центра структурной биологии и биоинформатики Брюссельского университета разработан новый метод, основанный на использовании белковых микрочипов с плотностью около 2 500 образцов / см2 и инфракрасной визуализации с преобразованием Фурье (FTIR) для анализа структурных модификаций 85 белков, характеризующихся широкими различиями вторичной структуры, нативных или подвергнутых легкой денатурации. Метод разрешения многомерных кривых с чередованием наименьших квадратов (MCR-ALS) использовался для моделирования нового спектрального компонента, появляющегося в наборе белков в условиях денатурации. Было обнаружено, что для нативных белков достаточно шести компонентов для успешного моделирования спектров. Кроме того, их форма позволила отнести белковые структуры к α-спирали, β-листу и другим структурам. Содержание этих структур в каждом белке коррелировало с известной вторичной структурой белка. В денатурированных белках был смоделирован новый компонент с помощью MCR-ALS. Этот новый компонент может быть отнесен к межмолекулярному β-слою, соединяющему молекулы белка. Таким образом, MCR-ALS выявил потенциальный спектроскопический маркер агрегации белка и позволил провести полуколичественную оценку его содержания. Было также получено представление о других структурных перестройках веществ.
Источник:
https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.analchem.1c01416
Биолюминесцентная бактерия как сенсор для оценки токсичности нефтяных углеводородов
Сотрудники кафедры природных ресурсов Технологического университета Исфахана (Иран) описали методику оценки содержания в водных образцах токсичных нефтепродуктов. Для этих целей они использовали морскую грамотрицательную факультативно-анаэробную непатогенную бактерию Aliivibrio fischeri, распространенную по всему миру, преимущественно в умеренных и субтропических водах. Эта бактерия может быть как свободноживущей, так и существующей в виде симбионта, в светопроизводящих органах некоторых видов кальмаров и рыб. Особенность ее заключается в том, что при оптимальных условиях окружающей среды она излучает сине-зеленый свет, что и послужило основой методики. Биолюминесценция тесно связана с клеточным метаболизмом бактерий, поэтому при выраженном токсическом действии ее интенсивность падает.
В процессе исследования определены оптимальные условия для проведения тестирования, такие как температура, кислотность и состав среды, а также установлена наиболее подходящая фаза роста A. fischeri, соответствующая максимальной интенсивности свечения.
Для исследования опытного образца необходимо добавить его в культуру бактерий и провести долгосрочное исследование с фотофиксацией. После шестичасового выдерживания образца в темноте можно проводить сравнение интенсивности фотолюминесценции с контрольными образцами без нефтепродуктов, в которых токсическое действие отсутствует, и наблюдается более яркое свечение. Загрязненность образца нефтепродуктами определяется по количественной разнице в показателях бактериальной люминесценции.
Нефтяные углеводороды, поступающие в окружающую среду во время разведки, добычи, хранения, транспортировки, переработки и потребления нефти, приводят к обширному загрязнению наземных и водных экосистем. Биологические методы, включая полноценные биотестирования и компактные биосенсоры, отражающие реакцию живых организмов на токсичность и другие изменения в окружающей среде, обладают определенными достоинствами, такими как экономическая эффективность, быстрая реакция, высокая чувствительность, простота выполнения и надежность результатов.
Применение люминесцентных бактерий также может стать удобным инструментом для предварительной оценки токсичности нефтяных углеводородов без проведения химических анализов и применения сложных методик, таких как стандартная оценка роста и репродуктивной активности рыб и водных ракообразных.
Источник: https://doi.org / 10.1016 / j.ecoenv.2020.111554
Мультиплексное обнаружение ионов тяжелых металлов с помощью плазмонных наносенсоров
Научная группа из Китая разработала и протестировала мультиплексные плазмонные наносенсоры с позиционно-кодированными аптамерными наностержнями золота для одновременного обнаружения двух разных ионов тяжелых металлов (Pb2+ и Hg2+) в небольших пробах воды. Полученные результаты показывают потенциал плазмонных наносенсоров для быстрого и прямого обнаружения большого количества различных ионов тяжелых металлов, что очень важно для мониторинга качества воды.
Исследователи воспользовались тем фактом, что наностержни золота сильно поглощают и рассеивают свет в видимой и ближней инфракрасной области благодаря оптическим свойствам плазмонно-резонансных частиц. Спектральный темнопольный микроскоп в ближнем инфракрасном диапазоне использовался в качестве платформы для обнаружения ионов тяжелых металлов.Чтобы продемонстрировать предел обнаружения и точность спектральной визуализации плазмонных наносенсоров использовали ионы Pb2+ и Hg2+, а также разработанные для них распознающие аптамеры (анти-Hg2+ аптамер и анти-Pb2+ аптамер), которые использовали для функционализации наностержней золота. Ионы Pb2+ и Hg2+ специфически связываются с наностержнями золота, функционализированными соответствующими аптамерами, и индуцируют спектральный сдвиг в их плазмонных резонансах. Спектральный темнопольный микроскоп способен измерять такой спектральный сдвиг с относительно высоким временным разрешением и точностью.
Результаты исследования показывают, что предел обнаружения системы плазмонных наносенсоров составляет около 5 нМ для ионов Pb2+ и 1 нМ для ионов Hg2+.
Для оценки селективности одиночных плазмонных наносенсоров использовали несколько других конкурирующих ионов металлов, включая Ag+, Cu2+, Zn2+, и Ni2+ в качестве контрольных аналитов. При этом не наблюдалось значительного отклика для контрольной смеси, содержащей 0,2 мкМ вышеупомянутых ионов металла. Тем не менее, датчики демонстрировали заметную реакцию для смеси раствора, содержащей 0,2 мкМ ионов Pb2+ и Hg2+. Кроме этого, работоспособность наносенсоров проверяли на реальных образцах питьевой воды, где наблюдался небольшой спектральный сдвиг для ионов Pb2+, в то время как наностержни золота, функционализированные аптамерами для Hg2+, не показали никакого отклика.
Таким образом, предложенный метод и результаты исследования демонстрируют наномолярную чувствительность и высокий потенциал для мультиплексного обнаружения ионов тяжелых металлов в воде.
Источник: https://doi.org/10.1016/j.bios.2021.113688
Новый хеморезистивный сенсор для селективного обнаружения метана
Метан – потенциально взрывоопасный газ без цвета и запаха, обладающий к тому же мощным парниковым эффектом. Такие свойства метана, как летучесть и неполярность, делают его селективное обнаружение непростой задачей. Недавно был предложен новый недорогой и маломощный хеморезистивный сенсор на основе одностенных углеродных нанотрубок и молекулярного комплекса платина-полиоксометалат. Для образования комплекса с предкатализатором (платина-полиоксометалат), углеродные нанотрубки были предварительно нековалентно модифицированы поли(4‑винилпиридином). Предполагается, что хеморезистивный отклик сенсора связан с образованием высоковалентного интермедиата платины во время окисления метана. Хемосенсор проявил большую селективность в отношении метана по сравнению с более тяжелыми углеводородами, такими как н-гексан, бензол, толуол, о-ксилол, а также другими газами, включая углекислый газ и водород. Сенсор функционирует при комнатной температуре, а также проявляет стабильность в воздушной и влажной среде. Продемонстрирована возможность использования сенсора для детекции метана с помощью ручного ампервольтомметра.
Полученный сенсор может быть использован для обнаружения утечек метана в жилых домах, производственных помещениях и трубопроводах, в том числе с помощью переносных детекторов.
Источник: https://doi.org/10.1073/pnas.2022515118
Биосенсор для распознавания нуклеиновых кислот SARS-CoV‑2 на основе графенового полевого транзистора и ДНК-зондов
Быстрый скрининг инфицированных людей в большой популяции – эффективное средство для сдерживания вспышек эпидемий, таких как COVID‑19. Золотой стандарт диагностики COVID‑19 основан на полимеразной цепной реакции (ПЦР) с обратной транскрипцией, которая не подходит для скрининга большой популяции из-за трудоемких процедур экстракции и амплификации нуклеиновых кислот. Авторы разработали прямой способ обнаружения нуклеиновых кислот SARS-CoV‑2 с использованием графенового полевого транзистора (g-FET) с Y-образными двойными зондами ДНК. Анализ основан на использовании Y-двойных зондов, нанесенных на g-FET, мишенями которых служат сразу два гена SARS-CoV‑2 (ORF1ab и N), что обеспечивает высокий коэффициент распознавания нуклеиновых кислот SARS-CoV‑2 с пределом обнаружения до трех копий в 100 мкл тестового раствора. Этот анализ обеспечивает самое быстрое на сегодняшний день тестирование содержания целевых нуклеиновых кислот (~1 мин), что на 1–3 порядка быстрее, чем существующие методы диагностики.
Благодаря интеграции с портативной микроэлектронной системой, тесты на COVID‑19 могут проводиться в аэропортах, на вокзалах, в местных клиниках и даже дома. Принимая во внимание такие преимущества, как быстрая диагностика, высокая чувствительность, простота эксплуатации, низкая стоимость, портативность и интеграция, биосенсор g-FET с Y-образным двойным зондом может применяться для скрининга COVID‑19. Помимо обнаружения SARS-CoV‑2, за счет замены зондов, в будущем ожидается сверхточная и быстрая диагностика других инфекционных заболеваний.
Источник: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.1c06325
Составители бюллетеня: д. б. н. Р. Ф. Фахруллин (КФУ), чл.‑ корр. РАН В. К. Иванов (ИОНХ РАН)
и чл.‑ корр. РАН Ю. Г. Горбунова (ИОНХ РАН)
Отзывы читателей
