Необъяснимое свойство жизни
«Хиральных объектов, которые не совмещаются со своим зеркальным отражением, вокруг нас очень много: как микроскопических — различных органических и неорганических молекул, так и макроскопических — например, спиральных галактик. Раковины морских моллюсков вроде наутилуса, человеческая ладонь или ступня, обычный шуруп — все они обладают хиральностью. Таким образом, хиральность широко распространена как среди живых организмов, так и среди объектов неживой природы», — объясняет руководитель лаборатории Иван Рухленко.
По словам ученого, пространственные формы молекул бывают «левыми» и «правыми». Поскольку биомолекулы хиральны, их взаимодействие с организмами существенно зависит от их формы — правой или левой. Это важно, поскольку в настоящее время сотни препаратов, которые применяются в фармакологии, являются энантиомерами. Два отражения одного энантиомера могут обладать совершенно разными свойствами: например, левое вещество может оказывать положительный эффект при лечении заболевания, а его отражение, наоборот, может быть смертоносным. Так, например, в 60-е годы препарат талидомид прописывали беременным женщинам при токсикозе. И ученые на тот момент не придали значения тому, что талидомид обладает энантиоморфизмом: одна его молекула спасала от утренней тошноты, а другая, которая оказалась в лекарстве, приводила к уродству новорожденных. Именно поэтому очень важно разделять энантиомеры и исследовать их свойства по отдельности. После их разделения и описания их патентуют как разные вещества. А как же разделить молекулярные смеси разных энантиомеров?
Разделить и не спутать
Лекарственные молекулы отделить друг от друга очень сложно. Ведь энантиомеры обладают абсолютно одинаковыми химическими и физическими параметрами — температурой плавления и испарения, плотностью. Все привычные методы разделения для них не работают. Так что единственный способ их как-то разделить — использовать для этого другие хиральные объекты. Смесь энантиомеров с пропорцией 1:1 называется рацемической смесью, и хиральными свойствами не обладает. Если же она химически прореагирует с каким-то хиральным соединением — гомохиральной молекулой, то получившиеся вещества станут диастереомерами. Они, в свою очередь, не будут зеркальным отражением друг друга, и уже не будут обладать разными температурой плавления, температурой кипения или плотностью. Разделять их после этого можно с помощью, например, центрифугирования. Однако изначально нужно конвертировать вещество путем химической реакции во что-то, а затем восстановить. Причем последовательность химических реакций уникальна для каждого отдельного вещества.
Так, например, есть способ хиральной хроматографии. Для этого используется некая стационарная фаза — силикагель, приготовленный с помощью хиральных сахаров. Через вертикальную колонку с силикагелем прогоняется рацемическая смесь, и одна из фаз смеси левых и правых энантиомеров задерживается. То есть сначала выходит одна обогащенная фаза, а затем другая. Однако такой способ — настоящее искусство, отмечает Иван Рухленко.
«Подобрать к веществу конкретную стационарную фазу крайне сложно. Это трудоемкий метод проб и ошибок. К установленной фазе нужно подобрать специальные условия, в которых разделение вещества окажется успешным. Кроме того, метод работает лишь в аналитическом масштабе, а в промышленности применяться уже не может. Ведь там все лекарства должны быть безупречно энантиомерно чистыми — на кону жизни людей. Есть и другая проблема: часто на выходе тяжело определить, какой же из разделенных энантиомеров является безопасным», — поясняет ученый.
Нанокристальная помощь
Самым простым классическим хиральным объектом в оптике является циркулярно поляризованный свет, закрученный по спирали. Однако молекулы плохо взаимодействуют со светом. Казалось бы, силой оптического давления разные молекулы одного энантиомера можно было бы легко разделить, но, увы, молекулы намного меньше длины волны света, который они поглощают, и в них мало атомов. Да и броуновское движение перемешивает молекулы быстрее, чем способен их разделить свет. Однако разделением одних молекул дело не заканчивается. Люди научились создавать полупроводниковые нанокристаллы, которые тоже оказываются хиральными. Вместе с тем, создавать нанокристаллы идеальной формы трудно — чаще всего они обладают изъянами. Например, у них может отсутствовать уголок или присутствовать лишний атомарный «нарост». И такие объекты уже не будут обладать зеркальной симметрией. Поскольку количество атомов в хиральных нанокристаллах намного больше, чем в молекулах, их взаимодействие со светом будет сильнее. Поэтому они могут использоваться в будущем для разделения энантиомеров лекарственных хиральных молекул и их идентификации в сенсорах. Это важно, например, когда нужно быстро отличить лекарственную подделку на таможне.
«Как можно использовать нанокристаллы в сенсорах и для разделения энантиомеров? Во-первых, если светом или каким-либо другим способом разделить сами нанокристаллы, то потом к ним можно будет селективно присоединить хиральные молекулы. После этого, отделив свободные молекулы от молекул с нанокристаллами светом или магнитным полем, можно разделить саму рацемическую смесь. Дальше можно очистить молекулы от нанокристаллов, а сами нанокристаллы еще не раз использовать по новой, добиваясь большей чистоты смеси. Что касается сенсоров, тут даже проще: стоит капнуть раствор с нанокристаллами на молекулярную смесь, они провзаимодействуют с молекулами одной формы, изменят свой оптический отклик и по этому сразу можно определить энантиомерную форму вещества», — отмечает Иван Рухленко.
Однако как разделить сами нанокристаллы с разными видами дефектов? Как найти способы усиления взаимодействия нанокристаллов со светом? Теоретические результаты своей работы ученые опубликовали в двух журналах в мае и июне этого года. В статье, опубликованной в Journal of Applied Physis, студент Никита Тепляков выступил первым автором.
«Если предположить, что нанокристалл изначально не хирален, то, что его делает хиральным, можно рассматривать как малое возмущение электронной подсистемы самого нанокристалла. Никита, используя аппарат квантовой механики — теорию возмущений в общем случае, не конкретизируя взаимодействия, построил теорию, которая позволяет описывать оптическую активность таких нанокристаллов с малым возмущением. Она модифицирует волновые функции нанокристалла. Эта теория может быть применена к нанокристаллам с разными типами хиральности, с винтовыми дислокациями, с неправильной формой, с примесями. В принципе, это применимо и к молекулам. Разработанный метод может оказаться полезным для биофизики, химии и фармакологии», — пояснил Иван Рухленко.
Вторая статья — уже в журнале Optics Letters — была посвящена общему подходу к анализу оптической активности полупроводниковых кристаллов хиральных форм. По словам Ивана Рухленко, большой плюс этой статьи в том, что она позволяет рассчитать асимметрию взаимодействия аналитически — получить конечные формулы. Для того, чтобы это сделать, нужно знать выражения для волновых функций и энергетического спектра носителей заряда внутри нанокристалла. А такое возможно только для нанокристаллов простых форм — для кубика, параллелепипеда, сферы, или цилиндра с непроницаемыми границами. Что же делать, когда у вас нанокристалл не просто неправильной формы, а закрученной, то есть не равен своему зеркальному отражению? Здесь на помощь приходит метод трансформации координат — метод, который изначально использовался для описания возмущенных состояний атомов.
«Мы придумали преобразование координат, которое переводит „неправильные“, но не сильно хиральные нанокристаллы в идеальный нанокубоид. А для него волновые функции мы уже знаем. В свою очередь, зная волновые функции и спектр носителей заряда, мы знаем о квантовой системе все и можем рассчитать любые ее свойства. Данная статья была отмечена тематическим редактором Optics Letters, который написал небольшую заметку, выразив надежду, что наша теория будет вскоре подтверждена экспериментами», — отмечает Иван Рухленко.
Экспериментальные препоны
Экспериментальное подтверждение затрудняется тем, что нанокристаллы разной формы очень трудно разделить. Если у ученых есть 50% нанокристаллов одной формы и 50% - другой, то они будут в целом неактивны в рацемической смеси. Есть возможность увидеть их формы с помощью различных методов микроскопии. Однако, чтобы изучить их оптически, нужно рассматривать каждый нанокристалл по отдельности. Что достаточно тяжело, поскольку оптический отклик от одного нанокристалла очень слаб. Поэтому проще изучать нанокристаллы в неком массиве. В некоторых случаях конкретных деформаций возникают довольно сильные оптические активности, что дает шанс на их разделение оптическим излучением. Чтобы попытаться сконструировать хотя бы теоретически электромагнитные поля, которые могли бы разделить нанокристаллы на левые и правые формы, Иван Рухленко подает заявку на государственный грант. Правда, как признается ученый, чтобы подкрепить теорию практикой, нужно намного больше средств, чем предусматривает бюджет гранта.
Разделять нанокристаллы ученые планируют излучением из самых разных диапазонов — все зависит от области, в которой происходит наибольшее поглощение. Есть квантовые точки, которые поглощают излучение видимого спектра. При этом, меняя размер и сохраняя форму нанокристаллов, можно менять длину волны требуемого для разделения излучения.
Сейчас на руках у исследователей есть экспериментальные данные по сульфиду молибдена. После эксфолиации ультразвуком кусочек такого вещества распадается на атомарные и двухатомарные слои. В присутствии хиральных молекул эти слои скручиваются в причудливые формы. Оптический спектр этих скрученных маленьких «листиков» уже есть. Никита Тепляков теоретически предсказал, как достигается подобный эффект. Опубликовать результаты совместной работы ученые планируют в журнале Nano Letters.
