Сибирский федеральный университет

Учёные давно и подробно изучают свойства углеродных наноструктур, но до сих пор остаётся большое количество вопросов, которые необходимо решить, прежде чем широкое использование наноматериалов станет возможным. В настоящем исследовании учёные сравнивали токсическое и антиоксидантное действие водорастворимых углеродных наноструктур естественного и искусственного происхождения, а именно гуминовых веществ и фуллеренола (С₆₀О_y(OH)_x, где х+у=20-22) — представителя группы производных фуллерена C-60.

Фуллеренолы (Ф) — полигидроксилированные производные фуллеренов, перспективные в современных медицинских, биологических и химических технологиях. Эти соединения могут быть использованы в качестве компонента композиционных биоматериалов, антибактериальных, противогрибковых и противовирусных средств. В настоящее время накоплены данные как о биологической активности, так и о токсичности этих соединений.

Гуминовые вещества (ГВ) — компонент органического вещества природных вод и почв. Они образуются в результате разложения органических веществ в почве и донных отложениях. В процесс образования гуминовых веществ вовлекается около 20 Гт углерода в год — это второй по масштабности после фотосинтеза процесс трансформации органического вещества в окружающей среде. Известно, что гуминовые вещества, наряду с другими функциями, выполняют в природных условиях роль детоксицирующих агентов. В последнее десятилетие препараты на их основе всё чаще используются для детоксикации загрязнённых водоёмов и сточных вод промышленных предприятий. Разработаны и используются твёрдые сорбенты. Способность гуминовых веществ снижать токсичность водных растворов является предметом интереса для многих исследователей.

Важнейшая особенность биологически активных веществ — их вовлечённость во всю сложную систему сопряжённых процессов в организмах. В настоящее время их тестирование проводится с использованием не только много- и одноклеточных организмов, но и систем оценки эффективности элементарных физико-химических процессов, в частности миграции электрона. Для оценки токсичности и антиоксидантных свойств ГВ и Ф в данной работе был использован ферментативный биолюминесцентный биотест. Содержание активных форм кислорода в растворах оценивали люминольным хемилюминесцентным методом.

ГВ и Ф продемонстрировали токсические и антиоксидантные свойства, однако количественные характеристики их воздействия были разными. Учёные выявили, что более высокой токсичностью обладают ГВ (наноструктуры естественного происхождения), детоксицирующие концентрации Ф (наноструктуры искусственного происхождения) оказались ниже. Было показано, что антиоксидантная способность ГВ растёт во времени. Предварительная 50-минутная инкубация в растворах окислителя была предложена как оптимальная для процедуры детоксикации. Антиоксидантный эффект Ф, напротив, не зависел от времени. Различия в токсических эффектах и антиоксидантной активности учёные объяснили структурой соединений. Подвижность фрагментов гуминовых макромолекул определяет их диффузионные ограничения (в процессах связывания компонентов ферментативной системы в растворе), которые приводят к более высокой токсичности и зависимости их антиоксидантной способности от времени. Таким образом, ГВ можно назвать «мягкими» природными детоксикантами: эффективность детоксикации гуминовыми веществами растёт во времени, но не превышает 50 %.

В статье демонстрируется высокий потенциал люминесцентного ферментативного биотеста для изучения биологической активности наноструктур естественного и искусственного происхождения. «В настоящее время разрабатываются физико-химические, биохимические и клеточные основы для биолюминесцентных биотестов, направленных на оценку антиоксидантной активности биологически активных соединений. Продемонстрирован высокий потенциал биолюминесцентной ферментативной системы для изучения биологической активности ультраразбавленных растворов. Высокая скорость анализа, чувствительность, воспроизводимость, возможность приборной регистрации и количественной оценки токсичности обеспечивают более высокую надёжность биологических измерений», — прокомментировала результаты Екатерина Ковель, соавтор статьи, аспирант ИБФ СО РАН.

В своей новой работе учёные исследовали биологическую активность ряда фуллеренолов с разным количеством гидроксильных ОН-групп, а именно их токсичность и антиоксидантную активность. Более низкая токсичность и более высокая антиоксидантная активность были продемонстрированы для фуллеренолов с меньшим числом кислородсодержащих заместителей. Различия в свойствах фуллеренолов связаны с их способностью изменять баланс активных форм кислорода в водных растворах. Токсическое действие перспективного металл-фуллеренола с атомом гадолиния (гадолиний включён во внутрь углеродного каркаса фуллеренола) объясняли большим количеством гидроксильных групп. Результаты исследования позволят прогнозировать свойства водорастворимых производных фуллеренов, что чрезвычайно важно для создания новых фармацевтических препаратов на их основе.

Рисунок. Углеродные наноструктуры: A) фуллеренол С60; Б) структурный фрагмент гуминовых веществ. Источник: Екатерина Ковель