Исследователи Сибирского федерального университета (СФУ) и Института биофизики Сибирского отделения Российской академии наук (ИБФ СО РАН) изучили биологическую активность углеродных наноструктур искусственного и естественного происхождения. Исследование поможет глубже понять свойства этих удивительных материалов, что необходимо для начала широкого использования наноструктур в науке и технике.

Ученые давно и подробно изучают свойства углеродных наноструктур, но до сих пор остается большое количество вопросов, на которые необходимо ответить, прежде чем широкое использование наноматериалов станет возможным. Благодаря своим отличительным чертам (прочность, проводимость, изгиб) углеродные наноструктуры можно применять в электронике, оптике, машиностроении. Уже сегодня углеродные нанотрубки используют как добавки к различным полимерам и композитам для усиления прочности молекулярных соединений. Ведь всем известно, что молекулярная решётка углеродных соединений обладает невероятной прочностью, тем более в чистом виде.

В процессе лабораторных исследований учёные пришли к выводу, что углеродные нанотрубки негативно влияют на живые организмы. В настоящем исследовании ученые сравнивали токсическое и антиоксидантное действие водорастворимых углеродных наноструктур естественного и искусственного происхождения, а именно гуминовых веществ и фуллеренола.

Фуллеренолы – 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 – компонент органического вещества природных вод и почв. Они образуются в результате разложения органических веществ в почве и донных отложениях. Гуминовые вещества имеют широкое применение во многих отраслях промышленности и в сельском хозяйстве. В растениеводстве их используют в качестве стимуляторов роста растений (гуматы калия, гуматы натрия, фульвокислоты), в животноводстве − в качестве стимуляторов роста животных (птиц, свиней), в металлургии − для изготовления составов для точного литья, а в нефтедобывающей промышленности − в качестве буровых растворов.

Важнейшая особенность биологически активных веществ — их вовлеченность во всю сложную систему сопряженных 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 гуминовых веществ и фуллеренолов в данной работе был использован ферментативный биолюминесцентный биотест.

Вещества продемонстрировали токсические и антиоксидантные свойства, однако количественные характеристики их воздействия были разными. Ученые выявили, что более высокой токсичностью обладают гуминовые вещества (наноструктуры естественного происхождения), детоксицирующие концентрации фуллеренолов (наноструктуры искусственного происхождения) оказались ниже. Кроме того, было показано, что антиоксидантная способность гуминовых веществ увеличивается со временем, а вот антиоксидантный эффект фуллеренолов, напротив, не зависел от времени.

«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 надежность биологических измерений», – прокомментировала результаты Екатерина Ковель, соавтор статьи, аспирант ИБФ СО РАН.

В новой работе ученые исследовали биологическую активность ряда фуллеренолов с разным количеством гидроксильных ОН-групп, а именно их токсичность и антиоксидантную активность. Более низкую токсичность и более высокую антиоксидантную активность показали фуллеренолы 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 включен 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.