Химики придумали магнитный тормоз для реакций биокатализа

С помощью магнитного поля можно управлять скоростью взаимодействия фермента и субстрата, заключенных в магнитных наночастицах. Ученые из Университета Джорджии и Университета Кларксона исследовали этот способ управления биокатализом и показали, что с его помощью можно доставлять лекарства в нужные органы, например, раковые опухоли. Статья опубликована в новом журнале Nature Catalysis.

Использование материалов, позволяющих контролировать высвобождение различных биологических молекул, очень перспективно для направленной доставки лекарств, разработки биотехнологий и биосенсоров. Поскольку биологические ткани нечувствительны к слабым магнитным полям, ученые предложили использовать в качестве подобных материалов магнитные наночастицы, переносящие некоторое вещество. Под действием внешнего поля наночастицы преобразуют магнитную энергию и вызывают физические или химические изменения в этом веществе.

Например, с помощью наночастиц можно переносить энзимы (ферменты), которые катализируют (ускоряют) протекающие в живых организмах химические реакции. Если доставить нужное вещество вместе с ферментом в ткани, можно управлять протекающими в них реакциями — например, уничтожить раковые клетки. К сожалению, несмотря на то, что ферменты очень избирательны, они все-таки могут взаимодействовать с различными субстратами, разлагаются другими ферментами и поглощаются, не достигая своей цели. Поэтому необходимо разработать способы сохранить ферменты и доставить их точно в нужное место.

В данной работе ученые разработали такой способ, который позволяет управлять биокатализом с помощью одного только магнитного поля, не полагаясь на изменения температуры, pH или концентрации солей. Для этого они использовали два типа магнитных наночастиц, одна из которых переносила энзим (E-частицы), а другая — субстрат (S-частицы). В основе частиц лежало ядро, состоящее из ферромагнетика Fe₃O₄ и покрытое оболочкой из оксида кремния SiO₂, в качестве фермента выступал папаин, а в качестве субстрата — флуоресцирующий краситель бычий сывороточный альбумин (FD-BSA). При приложении внешнего магнитного поля E-частицы и S-частицы сближались, и энзим начинал взаимодействовать с субстратом. Кроме того, наночастицы были дополнительно покрыты полимерной оболочкой, чтобы предотвратить случайное взаимодействие энзима и субстрата при отсутствии магнитного поля.

Чтобы доказать эффективность предложенного метода, ученые провели несколько экспериментов, в которых они наблюдали за взаимодействием частиц во внешнем поле и без него. Скорость взаимодействия исследователи оценили по свечению высвобождавшегося в ходе реакции FD-BSA. Кроме того, ученые проверили, как быстро высвобождается краситель S-наночастиц, помещенных в раствор папаина. Оказалось, что высвобождение красителя происходит намного быстрее при приложении магнитного поля, чем без него, что подтверждало эффективность способа.

Затем ученые исследовали, как магнитное поле влияет на биокатализ, то есть на скорость образования полимерных цепочек папаина и FD-BSA. Наблюдения экспериментаторы вели с помощью атомно-силовой и криоэлектронной, а также темнопольной оптической микроскопии. Концентрации S- и E-частиц были одинаковы. Чем больше было магнитное поле и чем выше концентрация наночастиц, тем длиннее образовывались полимерные цепочки.

Кроме того, ученые проверили, можно ли с помощью предложенного ими способа управлять доставкой лекарств к нужным органам. Для этого они взяли образец раковых клеток 4T1 (клеточная линия рака молочной железы мыши) и наблюдали, как изменяется число клеток со временем в зависимости от концентрации наночастиц и приложения внешнего магнитного поля. В этот раз вместо красителя, переносимого S-наночастицами, использовался доксорубицин, применяемый при химиотерапии. Как и ожидалось, активность раковых клеток заметно снижалась в образцах с наночастицами, к которым прикладывалось магнитное поле. В то же время, в отсутствие поля доксорубицин почти не высвобождался. Это значит, что с помощью предложенного учеными способа химиотерапию при раковых заболеваниях можно сделать менее травматической.

Ранее мы писали о том, как канадские ученые разработали метод доставки лекарств с помощью бактерий, чувствительных к магнитному полю и уровню кислорода. Также недавно исследователи из MIT создали микрокапсулы с таймером для доставки лекарств, а ученые из Калифорнийского университета применили микродвигатели с антибиотиками для лечения мышей.

Дмитрий Трунин