Завершается 2013 год и как обычно, накануне новогодних каникул в последнем в уходящем году новостном выпуске мы рассказываем о том, какие из наших новостей, какие достижения химической науки были интересны нашим читателям каждый месяц уходящего года.

В этом году мы решили и сохранить и в то же время слегка подкорректировать нашу традицию –компоновка материала для завершающего выпуска осуществляется силами наших читателей.

Однако, если в предыдущие по традиции последнего выпуска года популярный сюжет каждого месяца определялся количеством голосов за ту или иную статью и ее средним баллом, в этом году критерием популярности сюжета было количество «лайков», который он набрал в одной из популярный соцсетей, при этом традиционно редакция подчеркивает, что ее мнение относительно важности и интересности того или иного сюжета может и не совпадать с vox populi.

В январе 2013 года самой популярной новостью месяца была новость, посвященная использованию природной системы хранения генетической информации для записи информации, созданной человеком – исследователи из Европейского Института Биоинформатики использовали ДНК для кодирования и хранения такой информации, как литературные произведения и аудиозаписи – молекулы ДНК послужили носителем для записи всех сонетов Шекспира в текстовой форме и аудиозаписи речи Мартина Лютера Кинга «У меня есть мечта».

Одним из толчков для этого исследования были недавние изыскания в Антарктике, которые позволили обнаружить замерзшие бактерии в стометровой толще льда, возраст этих бактерий оценивался в миллионы лет, а их ДНК практически оставалась неповрежденной.

Такая устойчивость природного хранилища информации наряду с разработкой новых методов клонирования и секвенирования ДНК делают идею использования ДНК для хранения информации весьма привлекательной.

Рис. 1. Рисунок из RSC Adv., 2013, DOI 10.1039/C3RA23450A.

В феврале (возможно из-за зимы и гололеда) внимание читателей привлекала разработка, которая должна способствовать ускорению заживления переломов и трещин костей.

Исследователи из Университета Дуйсбурга-Эссена разработали новый материал – синтетические наночастицы на основе фосфата кальция, в которые инкапсулированы два гена фактора роста костей – костный морфогенетический белок 7 [bone morphogenetic protein 7 (BMP-7)], стимулирующий работу костеобразующих клеток и фактор роста эндотелия сосудов [vascular endothelial growth factor (VEGF)], который индуцирует рост кровеносных сосудов для питания клеток костной ткани. После инъекции в место травмы наночастицы усваиваются окружающими клетками, кислотная среда лизосом растворяет фосфат кальция, в результате чего гены высвобождаются.

Эти клетки, подвергшиеся трансфекции, начинают продуцировать факторы, ускоряющие рост кости, понижая тем самым время, в течение которого пациент вынужденно иммобилизован.

В марте внимание наших читателей было привлечено статьей о потенциально новых свойствах хорошо и давно известного вещества – воды.

Группа ученых из Германии, Финляндии и Франции выяснила, что происходит с водой, когда она подвергается воздействию температур и давлений, аналогичных обнаруженным в глубинах Земли. При давлениях свыше 22 МПа и температурах выше 374°С, выше критической точки, вода превращается в очень агрессивный растворитель. Это явление является ключевым для физической химии мантии Земли и земной коры.

В соответствии с исследованиями, в сверхкритических условиях структура воды непрерывно изменяется от упорядоченной полимеризованной структуры до разупорядоченной, содержащей незначительное количество водородно-связанных ассоциатов. Информация об этих структурных свойствах воды, реализующихся в глубине земли, является фундаментом для понимания химических распределительных процессов, происходящих во время метаморфических и магматических процессов.

Апрельской темой оказалась тема разоблачения мясных продуктов – точнее информация о еще одном (помимо холестерина) веществе, содержащемся в мясе и потенциально опасном для здоровья. Правда, эта информация будет интересна не столько для вегетарианцев и веганов, сколько для любителей фитнесса с применением добавок.

Исследователи из США обнаружили, что

карнитин, соединение природного происхождения, которое традиционно можно обнаружить в мясе, преобразуется в метаболит, который тоже может являться фактором риска и развития сердечнососудистых заболеваний.

Триметил-N-оксид вырабатывается бактериями кишечника в процессе переработки ими холина, соединения, содержащего триметиламиновый фрагмент и входящего в состав ряда фосфолипидов. Хазен с коллегами обнаружил, что

бактерии, способные генерировать триметил-N-оксид, сходным образом перерабатывают карнитин, который также содержит триметиламиновую функцию. Этот путь метаболизации карнитина бактериями был обнаружено с помощью радиоактивно меченного карнитина, который добавляли в пищу людей, добровольно выразивших согласие принять участие в эксперименте.

В мае интерес читателей по какой-то причине главным образом был посвящен клеям и клеевым композициям. Вероятно, что именно по этой причине хитом мая стала информация о клее на основе ДНК.

В новом адгезиве используются пары азотистых оснований, которые моделируют природные азотистые основания, но, при этом, связываются друг с другом прочнее, чем пары аденин-тимин и гуанин-цитозин. Новый материал может привести к созданию бытовых клеев, более мощных, чем привычные «момент» и «суперклей».

Изначально было предположено, а потом и подтверждено экспериментально, что прочность связывания двух поверхностей, полностью покрытых комплементарными парами оснований при условии образования связи между этими парами будет очень большой.

Для проверки теоретических предсказаний исследователи нанесли одни компоненты пары, моделирующие азотистые основания ДНК, на поверхность стекла, а другие – на полимерную матрицу полистирола, использовавшегося как первичный адгезив. Было обнаружено, что введение таких комплементарных компонентов значительно увеличивает адгезивные способности композиционного клеящего материала; более того – до того, как сила сцепления понижается до уровня немодифицированного полистирола, «склеенные» поверхности можно отделить друг от друга и повторно склеить три раза.

В июне, ближе к отпускному сезону нашим читателям стало мало просто атомов и молекул, и их заинтересовали суператомы.

Рис. 2. Суператомы могут использоваться для
получения ионоподобной кристаллической решетки,
\компонентами которой являются фуллерены C60
(черные) и халькогениды металлов. (Рисунок из
Science, 2013, DOI: 10.1126/science.1236259)

Колин Наколлс (Colin Nuckolls) и Майкл Штайрегвальд (Michael Steigerwald) решили выяснить, что произойдет, если электроноизбыточные кластеры ввести в контакт со сходными по размеру электрононедостаточными кластерами.

Исследователи смешали металхалькогенидные кластеры Co₆Se₈(Pet₃)₆ с фуллеренами C₆₀ в толуоле и наблюдали образование черных кристаллов, которые, как первоначально были уверены исследователи, являлись продуктом перекристаллизации фуллеренов, однако изучение продукта реакции с помощью рентгеноструктурного анализа показали, что в составе полученного кристаллического вещества на один кластер халькогенида приходится два фуллерена, которые расположены друг относительно друга таким же способом, каким ориентированы ионы кадмия и йода в кристаллической решетке йодида кадмия.

Спектроскопия комбинационного рассеивания показала, что

заряд перераспределился между двумя компонентами, в результате чего связь между двумя типами кластеров стала проявлять существенно ионный характер, что еще больше делало новое кристаллические соединение похожим на CdI₂.

Темой июля, как и февраля, стало здоровье и состояние опорно-двигательного аппарата – материал статьи был посвящен облегчению состояния тех, кому пришлось пережить процедуру протезирования сустава.

Паула Т. Хэммонд (Paula T. Hammond) – инженер-химик из Массачусетского технологического института разработала новый материал, который планируется как альтернатива существующим системам крепления титанового или полимерного эндопротеза к кости коленного сустава человека.

На поверхность эндопротеза были нанесены чередующиеся слои полиакриловой кислоты и смеси из гидроксиапатита, минерала, входящего в состав нативной костной ткани, и хитозана – полисахарида, выделенного из панциря ракообразных. Затем они добавляют внешние слои высокомолекулярного аминоэфира, разлагающегося под действием воды, и смеси, состоящей из полиакриловой кислоты и костного морфогенетического белка-2 [bone morphogenetic protein-2 (BMP-2)], который инициирует рост кости.

После того как эндопротез с покрытием нового типа был внедрен в берцовую кость крысы хирургическим путем, он контролируемо медленно высвобождал костный морфогенетический белок-2 в течение 30 дней. Этот белок стимулировал стабильный рост ткани между эндопротезом и берцовой костью крысы. В тестах на механическую прочность эндопротезов исследователи обнаружили, что для удаления эндопротезов требуется усилие – новое покрытие в 2–3 раза прочнее по сравнению с традиционным полиметилметакрилатным цементом.

Рис. 3. Сосудистый стент может вводиться в
кровеносные сосуды хирургическим путем для
лечения атеросклероза (Рисунок: © Shutterstock)

Тема здоровья была актуальна и для августа – в последний месяц лета внимание читателей привлек новый материал для сосудистых стентов.

Американские и китайские исследователи разработали биоразлагаемый сплав для применения в медицинских имплантантах.

Новый сплав, названный JDBM, представляет собой смесь магния, неодима, цинка и циркония. Сплав JDBM равномерно разлагается в физиологических условиях, что может позволить избежать дополнительной операции по удалению имплантантов, изготовленных из него.

Новость сентября, что характерно, появилась в эфире аккурат первого сентября – студенты и школьники пошли по классам, преподаватели встали к трибунам, а в это время где-то в Германии было подтверждено существование элемента №115.

Группа исследователей из Швеции стала второй в мире, которой удалось наблюдать элемент № 115 (унунпептий, ununpeptium, стопятнадцатый – лат.), время жизни которого составляет всего лишь 160 миллисекунд и первой группой исследователей, которой удалось получить его рентгеновские «отпечатки пальцев».

В ходе трехнедельного эксперимента в ноябре 2012 года в Центре по изучению тяжёлых ионов имени Гельмгольца в Дармштадте (Германия) исследователи, которыми руководил профессор Университета Лунда Дирк Рудольф (Dirk Rudolph), наблюдали 30 случаев радиоактивного распада ядер, полученных при бомбардировке изотопов америция-243 ионами кальция-48. Рудольф отмечает, что первое событие распада наблюдалось уже через 24 часа после начала работ, что было приятной неожиданностью для шведских физиков-ядерщиков, которые не надеялись на успех так быстро.

Наибольший интерес в октябре был прикован к квантовым точкам – Ранджани Вишваната (Ranjani Viswanatha) с коллегами решила изучить, как кристаллическая структура квантовых точек влияет на их квантовые выходы.

Было изучено большое количество квантовых точек из селенида кадмия (CdSe), упакованного в оболочку из сульфида кадмия (CdS). Поскольку между структурами CdSe и CdS не существует идеального соответствия, как правило существует четкая граница между ядром и оболочкой этих частиц. Проведенные ранее расчеты позволяли предположить, что более плавный переход между ядром и оболочкой должен привести к росту квантового выхода.

Неожиданно, но оказалось, что ядра с большим количеством дефектов более эффективно связывались с оболочкой, что однозначно приводило к образованию более эффективных квантовых точек. Как отмечает Вишваната –

самый, пожалуй, неожиданный результат исследования заключался в том, что самое плохое ядро позволяло сформировать самую хорошую оболочку.

Дефекты ядра приводили к тому, что квантовые выходы нанокристаллов составляли около 94%, в то время как квантовый выход квантовых точек с ровным ядром и более резким переходом ядро/оболочка демонстрировали выходы только в 40%.

Ноябрьский выбор читателей (впрочем как и безусловный рекордсмен в номинации «выбор года») был посвящен такой непростой проблеме, как возникновение жизни на Земле.

Паскуале Стано (Pasquale Stano) из Университета Рома Тре вместе с коллегами заинтересовался применением информации о самоорганизации для исследования происхождения жизни. Для упрощения, исследователи выбрали молекулярные машины, которые отвечают за синтез белка. Эта молекулярная система включает 83 различных молекулы, включая ДНК, которая запрограммирована на выработку особого типа зеленого флуоресцентного белка [green fluorescent protein (GFP)], который можно наблюдать с помощью конфокального микроскопа.

С целью воссоздания молекулярной скученности Стано добавил к разбавленному раствору 1-пальмитоил-2-олеоил-глицеро-3-фосфохолин (POPC). Алифатические молекулы такие как POPC не смешиваются с водой и при их помещении в воду они автоматически образуют липосомы. Липосомы имеют очень схожую мембранам живых клеток структуру, и они широко используются для изучения эволюции клеток.

Стано сообщает, что

многие из этих липосом позволяют собираться отдельным молекулам в молекулярные машины. Однако самым примечательным результатом, полученным Стано, является то, что по 5 липосом из каждой тысячи собирают и организуют имеют все 83 молекулы, необходимые для выработки белка. Эти липосомы производят большое количество GFP и светятся зеленым светом под микроскопом.

Рис. 4. Флуоресцентные частицы высвобождаются
только тогда, когда химический зонд попадает в
опухоль – это облегчит хирургам удаление опухоли.
(Рисунок из Nat. Mater., 2013, DOI: 10.1038/nmat3819).

И, наконец, выбор декабря снова так или иначе оказался связан с темой здоровья – самый «залайканный» сюжет этого месяца посвящен способам точной диагностики онкозаболеваний.

Новые «умные» полимеры, отличающиеся чрезвычайно высокой чувствительностью к значениям рН с исключительной точностью могут обнаруживать и делать видимыми опухоли. Принцип действия новой системы основан на том, что ткани опухоли, как правило, отличаются более высокой кислотностью по сравнению со здоровыми тканями.

Специалист по биомедицинской инженерии Циньминь Гао (Jinming Gao) из Университета Техаса разработал флуоресцентный нанозонд, который реагирует на увеличение кислотности среду.

Практически все твердые опухоли отличаются повышенной кислотностью, поскольку гликолиз в раковых клетках протекает на повышенной скорости, и глюкоза расщепляется только до молочной кислоты.

Нанозонды получены с использованием сополимеров, диссоциирующих при фиксированном значении pH. В полимер внедрены флуорофоры, которые невидимы, пока они являются частью композита, однако в результате высвобождения они демонстрируют яркое флуоресцентное свечение. Исследователи настроили полимеры таким образом, что они начинают диссоциировать при значении pH 6.9. Этот означает, что зонды практически невидимы в крови, значение pH которой 7.4, однако их флуоресценция возрастает в 100 раз в опухолях, рН которых обычно лежит в интервале от 6.5 до 6.8.