Ученые определили, как повысить избирательность сенсоров для распознавания зеркальных форм лекарств

Российские ученые выяснили, как можно увеличить селективность сенсоров для определения зеркальных форм (энантиомеров) биологически активных веществ, одна из которых может и не обладать необходимым эффектом. Оказалось, что избирательность специальных модификаторов, наносимых на поверхность электрода сенсора, определяется не только разностью энергий его взаимодействия с энантиомерами, но и тем, насколько размер полости модификатора соответствует габаритам этих молекул. Открытие поможет усовершенствовать сенсорные платформы для определения химического состава лекарств в лабораториях и на производстве. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Chirality.

Некоторые молекулы, имея одинаковый химический состав и характер связей между атомами, существуют в двух формах, различающихся пространственным расположением атомов. По сути они представляют собой зеркальные отражения друг друга, и совместить их в пространстве невозможно, равно как правую и левую руки. Такое свойство получило название хиральность, а сами зеркальные формы молекул — энантиомеры с R- или S-конфигурацией.

В обычных условиях свойства R- и S-энантиомеров одного и того же вещества ничем не отличаются, разве что они по-разному взаимодействуют с поляризованным светом. Именно поэтому вещества, состоящие из хиральных молекул, иногда называют оптически активными. Однако в окружении других молекул с такой же особенностью, например, в живых организмах, энантиомеры могут сильно различаться по своим свойствам. Так, жаропонижающий препарат ибупрофен существует в виде двух энантиомеров, но как лекарство действует лишь один из них. В связи с этим ученым важно уметь синтезировать, разделять и идентифицировать зеркальные формы молекул, чтобы при создании современных лекарств добиваться присутствия в препарате только нужного энантиомера.

Существует довольно много способов выявить энантиомеры, однако не все из них технически доступны. Одним из наиболее простых и дешевых методов считается электрохимический анализ. В процессе измеряются ток пика и потенциал, при которых молекулы веществ вступают в электрохимическую реакцию на электроде. Энантиомеры на поверхности обычного электрода не покажут никакой разницы в токах пиков и потенциалах; если же каким-либо образом поверхности электрода придать хиральные свойства, то разница в электрохимических свойствах становится вполне регистрируемой величиной. Проще всего это сделать, нанеся на поверхность электрода модификатор — определенные хиральные молекулы или молекулярные комплексы. Главная проблема, с которой сталкиваются специалисты при разработке таких сенсоров, состоит в том, чтобы подобрать модификатор, позволяющий выявить наибольшую разницу в электрохимических свойствах энантиомеров.

Химики из Башкирского государственного университета (Уфа) предложили теоретическую модель, с помощью которой можно определить модификатор с максимальной избирательностью. Это, в свою очередь, позволит целенаправленно создавать сенсоры с наибольшей энантиоселективностью по отношению к заданному анализируемому веществу, например, действующему компоненту лекарственного препарата. В предложенной модели эффективность хирального модификатора оценивалась по разнице энергий, необходимых для его взаимодействия с R- или S-энантиомером: чем больше была эта разность, тем большую избирательность имел модификатор.

В качестве объектов для расчетов авторы взяли два варианта хиральных модификаторов — циклодекстрины и углеродные нанотрубки. Циклодекстрины состоят из связанных между собой остатков глюкозы, а внешне напоминают усеченный конус с внутренней полостью разного размера. Углеродные нанотрубки представляют собой свернутый в полый цилиндр лист графена. Эти соединения были выбраны потому, что они уже используются в некоторых типах сенсоров для анализа, а также для хроматографического разделения энантиомеров.

Исследователи рассчитали энергию связывания энантиомеров десятка различных лекарственных препаратов и аминокислот с циклодекстринами и углеродными нанотрубками, имеющими разный диаметр полостей. Оказалось, что эффективность модификатора зависела не только от разности энергий его взаимодействия с R- и S-энантиомерами, но от того, насколько размер его полости соответствовал габаритам связываемых молекул.

«Предложенный нами алгоритм значительно упростит подбор наиболее эффективного хирального модификатора. Это поможет оптимизировать сенсорные платформы, использующиеся для установления подлинности и срока годности, а также энантиочистоты лекарственных препаратов. В дальнейшем мы планируем исследовать иные варианты хиральных модификаторов, чтобы дополнительно проверить нашу модель», — рассказывает первый автор работы Руфина Зильберг, кандидат химических наук, доцент кафедры аналитической химии Башкирского государственного университета.