Химия и науки о материалах
3 мин.

Электросинтезированный искусственный фермент для биосенсоров обогнал природный по эффективности в 200 раз

Суть нового подхода к созданию нанозимов и результаты исследования каталитической активности.

Суть нового подхода к созданию нанозимов и результаты исследования каталитической активности.

Komkova et al. / Dalton Trans., 2021

Химики МГУ имени М. В. Ломоносова предложили новый способ получения нанозимов с ультравысокой пероксидазной активностью на основе берлинской лазури. Эти наночастицы ускоряют превращение перекиси водорода в воду. Такая реакция может быть положена в основу создания сенсоров и биосенсоров для мониторинга концентрации продуктов обмена веществ и поможет отследить нарушения кислородного обмена в клетках. Синтезированные учеными нанозимы оказались в 200 раз эффективнее природного фермента, выполняющего ту же функцию. Предложенный электрохимический подход может быть адаптирован для получения функциональных наноматериалов на основе проводящих и электроактивных полимеров. Результаты работы, поддержанной грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы на страницах Dalton Transactions.

Перекись водорода (Н2О2) — химически очень активное соединение, применяемое практически везде. С ее помощью производят пенистые материалы, обесцвечивают ткани и волосы, обеззараживают не только раны, но и сточные воды. При этом Н2О2 взаимодействует с клетками и разрушает их, что травматично для крупных организмов и губительно для микроскопических. Перекись водорода не только попадает в живых существ извне, но также образуется при разных патологических процессах, например нарушениях кислородного обмена, поэтому важно уметь точно определять ее содержание в образцах от пациентов и в окружающей среде.

Для точной детекции пероксида водорода можно использовать биосенсорные устройства на основе пероксидазы — природного фермента, который в живых организмах обеспечивает защиту от разрушительной активности Н2О2. В ходе химической реакции восстановления он превращает ее в безопасную воду, перенося на нее электроны с какого-либо другого соединения. Для определения содержания перекиси в аналитике таким веществом-донором служат молекулы, в своей обычной форме неокрашенные, но после потери электронов приобретающие цвет — по его насыщенности можно определить концентрацию Н2О2. «Природные ферменты сложно превзойти, однако получать их непосредственно из клеток может быть дорого и сложно, а кроме того, важно хорошо очистить продукт и не потерять его активность вне живой системы. Поэтому в 1965 году в качестве альтернативы появились частицы со сходными свойствами — искусственные ферменты. Несмотря на несколько десятилетий исследований в этой сфере, оптимальное для биосенсорики решение было предложено только в 2004 году группой профессора Скримина. Ученые продемонстрировали высокую ферментативную активность неорганических наночастиц — нанозимов. Но здесь мы сталкиваемся с тем, что свойства получаемых веществ сильно зависят от условий синтеза», — рассказывает Мария Комкова, кандидат химических наук, старший научный сотрудник НИЛ электрохимических методов химического факультета МГУ имени М. В. Ломоносова.

Сотрудники химического факультета Московского государственного университета имени М. В. Ломоносова (Москва) предложили новый способ синтеза нанозимов на основе берлинской лазури — доступного синего пигмента, который чрезвычайно чувствителен к перекиси водорода. Суть подхода заключается в том, что водный раствор солей, необходимых для получения искусственных ферментов, непрерывно пропускают через специальную проточную ячейку — небольшой резервуар с электродами, на которых протекает электрохимический синтез. В итоге электроды покрываются крошечными частичками берлинской лазури, которые смываются потоком и выводятся с ним из ячейки. Иными словами, ученым удалось адаптировать подходы к наноструктурированию материала на поверхности электрода и получить взвеси отдельных наночастиц, которые к тому же продемонстрировали отличные каталитические свойства.

«Мы применили подходы ферментативной кинетики к исследованию активности наших нанозимов. Оказалось, что изготовленные новым способом частицы превосходят природную пероксидазу по эффективности катализа в 200 раз. Мы надеемся, что наш способ поможет изменить современную биоаналитику. Эти нанозимы стабильны и очень активны, а их размер можно менять, выбирая компонентный состав раствора для синтеза и прикладываемое напряжение. Это позволяет применять в биосенсорной практике как отдельные наноструктуры, так и покрытия на их основе. В результате можно использовать нанозимы для клеточных исследований и для промышленного производства биосенсоров. В дальнейшем мы планируем протестировать наши наночастицы для снижения концентрации активных форм кислорода непосредственно внутри клеток», — подводит итог Мария Комкова.