Как вырастить счастье: смоделирован рост кристаллов «гормона счастья»

Химикам из Сибирского отделения РАН удалось сделать важный шаг к пониманию того, по каким законам выстраиваются молекулы в кристаллах, выращенных из различных сред. Их исследование опубликовано в журнале Computational and Theoretical Chemistry (COMPTC), работа велась при поддержке Российского научного фонда (РНФ).

Грант РНФ позволил провести трехлетнее исследование роли жидкостей в превращениях с участием кристаллов различных веществ при высоком давлении и при нормальных условиях. Данная работа — часть этого проекта. Без соответствующей поддержки Российского научного фонда не было бы возможности не только провести ряд расчетов и экспериментов в данной области, но и вообще заняться столь интересной и перспективной темой, интенсивно развивающейся за рубежом. Достаточно сказать, что самим своим существованием коллектив исполнителей в его настоящем виде обязан именно данному гранту — большая часть участников проекта привлечена к работе по нему в Институте химии твердого тела и механохимии (ИХТТМ) СО РАН в качестве совместителей из других организаций.

Недавно были опубликованы результаты международного «слепого теста» — соревнования, в котором различные научные группы пробовали предсказать экспериментальную кристаллическую структуру, используя только суперкомпьютеры и соответствующие расчетные методы. Каждому участнику присылалась молекулярная формула вещества, после чего он должен был выдать координаты атомов его трехмерной структуры. Решение этой невероятно сложной задачи означало бы, что кристаллическую структуру любого вещества можно получить, не прибегая к специальным (и очень дорогим) приборам, просто «сидя за компьютером».

Результаты соревнований кристаллографов из раза в раз улучшаются, тем не менее, на сегодняшний день нельзя сказать, что предсказаниям кристаллической структуры программными методами можно полностью доверять, ведь процент ошибок все еще высок. Ситуация также усложняется тем, что такого рода расчеты используют огромные временные и вычислительные ресурсы.

Однако главная проблема заключается даже не в этом. Учеными показано, что, несмотря на серьезную предсказательную силу программ, сегодня ни одна из них не опирается на методы получения предсказанных структур в реальных условиях. Другими словами, даже зная, какая кристаллическая структура должна образоваться, ученые до сих пор не могут однозначно сказать, как именно получить ее в лаборатории.

«Предсказать структуру кристалла до начала эксперимента на сегодняшний день очень сложно», — пояснил Indicator.Ru младший научный сотрудник Института химии твердого тела и механохимии (ИХТТМ) СО РАН и Новосибирского государственного университета Денис Рычков. Он отметил, что сложнее всего дело обстоит с предсказанием структуры кристаллов органических молекул, которое бы учитывало реальные условия их кристаллизации, в частности природу растворителя.

Рычков с коллегами решил выяснить, по каким законам растут кристаллы солей серотонина, известного как «гормон счастья». Этот гормон имеет большое значение для биологических процессов и для фармацевтики.

Проведя математическое моделирование, на которое ушло около месяца машинного времени, ученые пришли к выводу, что геометрия молекулы серотонина и, соответственно, кристаллическая структура солей зависят от способа получения кристалла. При помощи суперкомпьютера они изучили поведение молекулы серотонина в водном растворе и сравнили с поведением той же молекулы в вакууме. Химики определили, как энергия молекулы зависит от ее пространственного строения в тех или иных случаях.

«Проще говоря, выяснилось, что геометрия получившейся молекулы в кристалле очень близка к преимущественной геометрии в растворе, из которого его выращивали», — объяснил Рычков. По его словам, до этого при предсказании структур выращенных кристаллов ученые никак не учитывали влияние растворителей.

«Судя по всему, его надо учитывать, потому что строение кристалла зависит не только от того, какие в нем молекулы и как они взаимодействуют, но и от того, как происходила кристаллизация из раствора», — добавил ученый.

Авторы предполагают, что это утверждение справедливо не только для молекул серотонина, но и для большинства кристаллов, выращенных из раствора. Полученный вывод внесет вклад в развитие предсказательных методов кристаллографии и поможет сократить разрыв между теоретически предсказанными кристаллическими структурами и их получением в лаборатории.

Известно, что одни и те же химические вещества могут существовать в различных полиморфных модификациях (например, алмаз, графен, графит), образуя различные кристаллические упаковки. Таким образом, при постоянном химическом составе кристаллы обладают различными свойствами. Это же свойство наблюдается у органических кристаллов, часто применяемых в молекулярных материалах, например в фармацевтике. От взаимной ориентации молекул могут зависеть такие важные свойства медикаментов, как растворимость, способность прессоваться и другие.

«В этом мост между задачами фармацевтики и локальной проблемой предсказания структуры кристаллов», — пояснил Рычков.

Данная работа проводилась в научной группе Елены Болдыревой (ИХТТМ СО РАН) при тесном взаимодействии с Сибирским суперкомпьютерным центром, Институтом катализа (ИК СО РАН), Институтом химической биологии и фундаментальной медицины (ИХБФМ СО РАН) и университетом Эдинбурга (Великобритания).

Павел Котляр