У сахаров есть свои «скелеты» в шкафу, точнее, в структуре, и некоторые из них могут оказаться нам весьма полезны. Например, чтобы сражаться против бактерий. О «сладкой» и полезной химии рассказывает кандидат химических наук Елена Степанова, заведующая молодёжной лабораторией химической инженерии и молекулярного дизайна Томского политехнического университета.

Елена Степанова, заведующая молодёжной лабораторией химической инженерии и молекулярного дизайна Томского политехнического университета. Фото Андрея Афанасьева.

— Елена, расскажите, какими исследованиями вы занимаетесь в вашей лаборатории?

— Мы занимаемся тематиками, релевантными для России и мира – в частности, это химия углеводов. Конкретно – мы пытаемся модифицировать «скелет» углеводов таким образом, чтобы получились необычные сахара.

— Что это значит – «скелет» сахара?

— Углеводы, как и любые органические молекулы, состоят из последовательно связанных между собой атомов углерода. Это и называется скелетом. Модификация любых связей скелетных углеродов будет называться модификацией скелета. А вот, например, если мы модифицируем группу СО-Н, то есть вместо атома водорода введём любую другую группу, это уже называется функционализацией. Сделать это довольно просто, и именно так получаются гликозиды и олигосахариды.

В наших организмах, в природе, в растениях содержится много разных сахаров. Все мы знаем глюкозу, галактозу, лактозу и так далее. Но во многих патогенных бактериях и других вредных микроорганизмах существуют такие сахара, которые отличаются от обычных какими-нибудь необычными связями. Например, вместо С-Н там содержится С-С, С-О или какие-то ещё связи.

Но коль скоро эти сахара есть в бактериях, они очень специфичны именно для них. Если мы синтезируем такие нетипичные сахара, которые в нашем организме не содержатся, немного их модифицируем и дадим бактериям, то бактерии будут «думать», что это их сахара, и есть их. При этом они будут пытаться метаболизировать их, но не смогут, потому что это очень сложные и многостадийные процессы, и соответственно бактерии будут погибать. Это наша фундаментальная цель.

К сожалению, синтезировать такие молекулы при помощи обычных химических методов непросто. Для этого нужно провести много стадий синтеза, использовать сложное оборудование, недешёвые реактивы и затратить много человеко-часов. И тогда мы предположили, что с помощью методов фоторедокс-катализа это будет сделать проще.

— В чём заключается этот метод?

— Суть метода заключается в том, что мы используем видимый свет для модификации структур соединений. Поскольку это видимый свет, у него очень мало энергии, он нас окружает и никак с нами, а если точнее, с большинством органических соединений не взаимодействует.

— Зато его много...

— Совершенно верно. Но раз он не взаимодействует с самим веществом, иначе мы бы от видимого света страдали (а мы если и страдаем, то только от ультрафиолета), то нам нужны специальные вещества-переносчики. Они нужны, чтобы захватить квант света и передать его дальше веществу, которое мы хотим модифицировать. В качестве таких переносчиков мы используем фотокатализаторы – они доставляют свет, но не в виде энергии, а через перенос электронов к нашей молекуле. Такие модификации, как правило, очень селективные, они не действуют на всю молекулу, а только на определённые места, которые мы задаём. Это метод не только дешёвый, но и очень мягкий – сама молекула при этом не повреждается.

— Что представляют собой эти фотокатализаторы?

— Это молекулы, которые способны поглощать видимый свет. Чаще всего они представляют собой окрашенные соединения, например, природные красители, комплексы некоторых металлов вроде рутения и иридия. Важный критерий для фотокатализатора – это стабильное триплетное состояние, которое может либо отбирать электрон от молекулы, которую мы модифицируем, либо, наоборот, отдавать. Плюсом таких переносчиков является то, что их требуется очень маленькое количество, всего несколько мольных процентов, и они легко отделяются от продуктов.

— Какие результаты? Что вы смогли получить?

— Это работа, которая у нас ведётся, мы в процессе. Мы уже подобрали правильные условия для модификации углеводов, поняли, что это очень хорошо работает для простых сахаров – таких как, например, глюкоза, галактоза или манноза. Сейчас мы расширяем линейку и модифицируем более лабильные полисахариды, олигосахариды, растительные сахаросодержащие вещества, чтобы показать, что наш метод приемлем для совершенно разнообразных структур.

— Для чего всё это может пригодиться?

— Это выход на новые молекулы или материалы. Мы предполагаем, что вещества, которые мы синтезируем, будут иметь полезные свойства в качестве лекарственных препаратов. В первую очередь это антимикробные препараты нового поколения – совсем не те антибиотики, которые используются сейчас.

Дело в том, что свойства этих сахаров мимитичны, подобны тем, что есть везде, но при этом они не такие. Поэтому и активность их будет похожая, но другая. Если для бактерий они узнаваемы, и они могут их захватывать, то для человека и животных – совершенно безвредны, потому что у млекопитающих таких сахаров нет. Но и токсичность у них очень низкая, потому что всё-таки это сахара, у них нет никаких вредных функциональных групп, как у многих антибиотиков, которые используются сейчас и имеют множество побочных эффектов.  

— Почему ваш коллектив называют уникальным?

— Дело в том, что в России не так много групп, которые занимаются синтезом углеводов. Я недавно вернулась с «углеводной» конференции, которая проходила в Мурманске, куда стекаются углеводчики со всей России.

— Так и называлась – Углеводная конференция?

— Нет, официальное название несколько другое – «Фундаментальная гликобиология». Там, кстати, мой студент получил диплом за лучший доклад. Так вот, оказалось, что, несмотря на обилие людей и докладов, синтетических групп у нас мало. Обычно под синтезом углеводов понимают получение олигосахаридов, когда вы берёте разные сахара, их сшиваете в определённой последовательности и получаете олигосахаридные цепочки. Мы же модифицируем «скелет» сахаров, и этого в России практически никто не делает, да и в мире делает мало кто. Наши научные конкуренты – очень известные, топовые группы. К тому же лаборатория у нас молодёжная, состоящая из студентов и аспирантов, что делает её уникальной вдвойне.

— Ваши зарубежные конкуренты уже вышли на какие-то практические результаты?

— Пока нет. Это непросто. Здесь надо пройти путь от разработки методов (мы сейчас на этом этапе) до масштабирования, проведения биологических исследований, выявления полезных структур, а затем выход на промышленные масштабы. Это разные блоки задач, которыми занимаются разные люди. Поскольку тематика эта новая, первые публикации появились около пяти лет назад, в том числе и наша в Nature Reviews Chemistry, каких-то практических результатов, насколько я знаю, пока никто не достиг, но они обязательно появятся.

— Как в вашу лабораторию попадает молодёжь?

— Обычно ребята сознательно делают такой выбор. Те молодые люди, которые работают у меня научными сотрудниками, пришли сюда ещё на этапе, когда были студентами. Им понравилось, они пошли в науку, поступили в аспирантуру, некоторые уже стали кандидатами химических наук. Сейчас уже ясно, что эта тематика по-настоящему их увлекла, чему я очень рада: наука тогда приносит результат, когда она интересна.