Лаборатория «Химическая инженерия и молекулярный дизайн» – одна из молодежных лабораторий, созданных в Томском политехе в рамках нацпроекта «Наука и университеты». Ее коллектив занимается перспективными исследованиями, связанными с созданием новых химических соединений с заданными свойствами – они конструируют новые молекулы. В том числе коллектив ведет востребованное для российской науки направление – тонкий химический синтез углеводов. О работе команды лаборатории, молекулярном дизайне и как создать то, чего раньше не было, рассказывает руководитель лаборатории Елена Степанова.
Химия как постоянный поиск
— Почему химия и Томский политех?
— Так сложилось, что вся моя жизнь связана с Томским политехом. Выбирая после школы между томскими вузами, я остановилась на Политехе: здесь предлагались более обширные тематики научных работ по органической химии, которая меня интересовала, причем как в плане теоретических исследований, так и прикладных. К тому же Томский политехнический университет — первый химический вуз на территории Сибири и Дальнего Востока, основоположник сибирской школы органической химии, его богатая история говорит о насыщенном настоящем и ярком будущем.
Что касается любви к химии, то ее сложно объяснить… Скажу так: химия – наука, которая изучает причины событий и явлений на самом глубоком, молекулярном уровне. И этим она увлекательна.
— Чем интересна химическая наука как сфера деятельности?
— Тем, что она является творческой, несмотря на точные формулы. На предприятиях идет работа по одним и тем же технологиям. Нам, условно, нужно получить определенную молекулу и мы ее получаем заранее известными методами. Наука же – это постоянный поиск. Мы пытаемся проанализировать, как молекулы взаимодействуют друг с другом и как при этом образуются новые молекулярные структуры. В науке мы часто знаем, что хотим получить, но не знаем наверняка каким образом этого добиться. То, как мы используем известные ранее знания, отработанные технологии и инструменты, и есть творческий подход к работе. Бывает и наоборот: мы открываем новые реакции, заранее не зная, как они будут работать, какие у них механизмы и для каких молекул они подходят, а для каких нет. Это также очень увлекательно, потому что мы открываем новые превращения и исследуем новые грани химии.
— Можно ли открыть что-то новое в химии?
— С одной стороны, молекулы и атомы давно известны. Все самые базовые открытия в этом направлении уже сделаны учеными прошлых столетий. Но вот в том, что касается новых превращений, новых способов получения известных и неизвестных веществ, огромное поле для деятельности. Последние Нобелевские премии, например, вручались как раз за открытие новых реакций в органической химии.
Здесь как с алфавитом: буквы известны всем, но складываются они в разной последовательности и в результате рождается новая книга. Также и с химией: «материалы» и инструменты известны, но воспользоваться ими можно по-разному. И получить новый, иногда неожиданный результат.
Конструктор для молекул
— Чем занимается лаборатория «Химическая инженерия и молекулярный дизайн»?
— Если коротко, то конструированием новых молекул. Наш коллектив образовался в 2021 году, получив на конкурсной основе поддержку Минобрнауки России в числе других молодежных лабораторий, занимающихся перспективными исследованиями.
В лаборатории 17 человек, в основном это студенты и аспиранты. В ней есть три локальные подгруппы, каждая из которых ведет свое направление. Так, группа под руководством старшего научного сотрудника Екатерины Колобовой исследует процесс окисления бетулина – сложной молекулы, которая содержится в большом количестве в коре березы, которая, в свою очередь, является отходом деревообрабатывающей промышленности. Если модифицировать скелет молекулы бетулина, получаются вещества, обладающие противовирусными и другими полезными для медицины свойствами.
Команда старшего научного сотрудника Антонио Ди Мартино занимается более прикладными исследованиями, направленными на получение продуктов с высокой добавленной стоимостью. Например, группа синтезирует из различных полисахаридов экологичные гидрогели для сельского хозяйства. Они позволяют удерживать влагу и удобрения в почве. Сейчас исследования команды также направлены на получение биодизелей из растительных масел.
Группа молодых ученых под моим руководством исследует методы синтеза низкомолекулярных углеводов. В частности, это сборка из маленьких фрагментов моносахаридов больших молекул олигосахаридов. Также в фокусе внимания – синтез природных низкомолекулярных углеводосодержащих соединений, методы их анализа в природном сырье, исследование фундаментальных закономерностей их реакционной способности и влияния защитных групп. Кроме того, мы занимаемся модификацией структур биологически значимых соединений при помощи введения углеводных фрагментов и модификацией скелета самих углеводов при помощи фотохимических превращений. Это очень перспективное, интересное, востребованное направление. В России всего несколько коллективов, занимающихся углеводами. Мы являемся уникальной в Сибири группой, которая синтетически получает низкомолекулярные углеводсодержащие молекулы.
Также в составе молодежной лаборатории – доктор химических наук Рашид Валиев. Он занимается квантово-химическими расчетами для всех трех групп. При помощи компьютерного моделирования он помогает разобраться в различных органических процессах, которые мы с коллегами исследуем экспериментально.
— Зачем модифицировать углеводы?
— Углеводы играют ключевую роль во многих важных процессах всех живых клеток. Существуют углеводы с необычной структурой, у которых есть нетипичные связи, нехарактерные для обычных сахаров (углеводов), таких как глюкоза, манноза, галактоза и так далее. Такие необычные сахара часто содержатся на поверхности бактерий, вызывающих различные патологические процессы. Клетки в организме человека высокоспецифично распознают их по-своему и взаимодействуют с этими углеводами. Поэтому бактерии могут прикрепляться к клеткам человека и так происходит заражение. Если мы модифицируем сахара, содержащиеся в бактериях, и «дадим» организму, он научится их определять и реагировать по-другому, например, вырабатывать антитела. То есть синтез сахаров перспективен для разработки вакцин, а также разнообразных лекарственных препаратов – от антиоксидантного до противопаразитарного действия. Это одно из применений.
Молодые исследователи, желающие присоединиться к проектам группы, могут обращаться к руководителю лаборатории Елене Степановой (Eline@tpu.ru).
Полный синтез, «мягкая» модификация, и не только
— По какому принципу выбираются объекты для молекулярного дизайна?
— Лаборатория ведет работу по двум большим направления. Первое – синтез сложных природных молекул, которые никто ранее не получал синтетически, из простых доступных соединений. По-другому это еще называется полный синтез. Такие молекулы интересны, как правило, для медицины. Например, сейчас наш аспирант занимается синтезом кургулигозида А. Это углеводосодержащее соединение, которое выделяется из корней золотарника обыкновенного, произрастающего в теплых азиатских странах. Он обладает хорошей биологической активностью, что представляет интерес для медицины. Но для его выделения из растений требуется переработка большого количества сырья. Мы исследуем возможность мультиграммового синтеза этого вещества из глюкозы и простых фенолов.
Второе направление – разработка синтетических методик. Это фундаментальное исследование реакционной способности органических соединений в новых реакциях. Один из эффективных методов – фотохимическая модификация. В частности, мы разработали метод, который позволяет синтезировать аминокислоты, в том числе из соединений, сахаров, содержащих карбоксильные, спиртовые или аминогруппы. Его можно транслировать для большого числа молекул, которые содержат эти функциональные группы. Разработка синтетических методик заключается в том, чтобы определить возможности и ограничения предложенного нами метода и понять, по какому механизму он работает.
— Основные перспективные цели коллектива?
— Одна из задач – разработка новых, более «мягких» методов модификации на последних стадиях синтеза. Они актуальны в случае сложных молекул, когда нужно модифицировать лишь небольшой их участок. Это непростая задача, поскольку большой сложный каркас легко повредить, применяя температуру и химические реагенты. Разрабатываемые нами фотохимические методы в перспективе позволят селективно модифицировать конкретный участок каркаса молекулы за меньшее число химических стадий.
Также в планах команды – создание новых эффективных и экологически безопасных методов синтеза биоразлагаемых полимерных материалов на основе природных соединений (таких, как полисахариды), полученных из отходов лесного и сельского хозяйства, пищевой промышленности. Такие материалы могут быть перспективны, в том числе для получения биоразлагаемых «умных» удобрений, а также носителей лекарств и их контролируемого высвобождения.
