Эритроциты помогут синтезировать полимеры внутри живых организмов

Австралийские химики разработали способ контролируемой полимеризации полиакрилатов и полиакриламида внутри живого организма. В качестве катализатора реакции ученые использовали содержащиеся в молекулах гемоглобина эритроцитов ионы железа. Реакция запускается в присутствии перекиси водорода, поэтому для этого необходимы либо ферменты, либо условия с повышенной концентрацией перекиси, которые наблюдаются, например, в раковых клетках, пишут ученые в Engewandte Chemie.

Сейчас синтетические полимерные материалы используются повсеместно: это всевозможные виды пластиков, волокон и тканей, или соединения, а также вещества для химических и биологических применений. Многие из полимерных соединений ученые предлагают использовать и внутри живых организмов — как в исследовательских, так и в медицинских целях. При этом иногда получать функциональные полимеры необходимо непосредственно внутри организма — например, для синтеза везикул, искусственных тканей или при химической модификации живых клеток. Для получения этих соединений химики предлагают использовать несколько типов реакций, для которых применяются различные катализаторы биологического происхождения. Однако полностью провести весь процесс синтеза нужных полимерных соединений in vivo не удается: часть реагентов не совместима с биологическими средами, поэтому подготовку веществ приходится проводить заранее во внешней среде.

Для решения этой проблемы австралийские химики под руководством Грега Цяо (Greg G. Qiao) из Мельбурнского университета предложили в качестве катализатора для реакции полимеризации использовать тот гемоглобин, который содержится в эритроцитах. Для синтеза in vivo двух типов полимеров — полиакрилатов и полиакриламида — ученые предложили использовать схему полимеризации с обратимой передачей цепи по механизму присоединения-фрагментации (RAFT — Reversible addition−fragmentation chain-transfer polymerization). В качестве одного из действующих элементов в такой схеме выступает RAFT-агент — молекула, с помощью которой осуществляется перенос полимерных участков цепи в системе и контролируется кинетика реакции, что позволяет получать полимеры определенного типа и нужной молекулярной массы. Обычно в качестве таких молекул вступают тритиокарбонаты. 

Кроме того, для проведения реакций по такой схеме требуются катализаторы, которые токсичны и не могут использоваться внутри живых организмов. Авторы работы обнаружили, что заменить эти катализаторы может гемоглобин, который содержится в эритроцитах. В своих предыдущих работах химики уже показывали, что инициатором реакции могут быть ионы железа. Оказалось, что те ионы железа, которые находятся в гемовом фрагменте гемоглобина и обычно служат для переноса кислорода, вполне могут выполнять и функцию инициатора полимеризации. Кроме гемоглобина, химики также предложили использовать в смеси глюкозооксидазу — фермент, благодаря которому можно получать молекулы перекиси водорода в условиях живого организма по ходу реакции полимеризации.

По предложенному авторами механизму сначала ион железа Fe³⁺ восстанавливается перекисью до Fe²⁺, который участвует в основной реакции с образованием гидроксил-радикалов, запуская таким образом реакцию радикальной полимеризации. Таким образом можно контролировать скорость полимеризации и молекулярную массу образовавшегося полимера. При этом все необходимые для проведения реакции вещества содержатся внутри живого организма и никакой дополнительной предварительной подготовки реагентов ex vivo не требуется.

Чтобы показать, что реакция идет именно по описанному механизму, аналогичную реакцию химики провели без глюкозооксидазы. Оказалось, что при отсутствии глюкозооксидазы реакция действительно не идет. Однако ученые отмечают, что подобный процесс можно провести и в других биологических средах, в которых по тем или иным причинам содержится большое количество перекиси. Например, такие условия характерны для многих раковых клеток, поэтому предложенный тип полимеризации можно использовать для терапии рака.

Это исследование — далеко не первый случай, когда эритроциты предлагают использовать в качестве инструмента для проведения управляемых химических и физических процессов внутри живого организма. Например, недавно немецкие ученые сделали из эритроцита и кишечной палочки доставщик лекарств. Бактерия в такой системе выполняет функцию мотора, а эритроцит, кроме лекарства содержащий магнитные наночастицы корректирует направление под действием внешнего магнитного поля.

Александр Дубов