О пользе хрена для нанотехнологий

Недавно опубликованные результаты исследований ученых Питсбургского университета (University of Pittsburgh, США) свидетельствуют о возможности биологического (естественного) разложения одностенных углеродных нанотрубок (ОСНТ) [1]. Это чрезвычайно важный вопрос, ведь, несмотря на непрекращающиеся дискуссии о безопасности или токсичности наноматериалов (см., например, [2]), их производство непрерывно растет.

Рис.1. Хрен обыкновенный (англ. – horseradish)

Новые достижения в области нано-биомедицины со временем приведут к широкому применению этих уникальных материалов in vivo. При этом даже специально подготовленные «безвредные» нанотрубки (очищенные, имеющие нужные размеры), используемые для диагностики и лечения, останутся в теле человека и смогут вызвать воспалительные отклики или какие-либо другие неблагоприятные последствия. Развитие нанотехнологий увеличит содержание углеродных нанотрубок в окружающей природе (откуда часть их, естественно, попадет в организм человека). Но, как выяснили авторы [1], найти пути безопасного удаления (биодеструкции) «отработанных» ОСНТ поможет хрен, точнее фермент пероксидаза из его корней¹.

Ученые Питсбургского университета в своих исследованиях in vitro показали, что биологическое разложение ОСНТ может происходить при помощи ферментативного катализа. Пероксидаза хрена была добавлена к суспензии карбоксилированных нанотрубок (ОСНТ для удаления примесей металлических катализаторов были обработаны H₂SO₄/H₂O₂). Инкубацию проводили в течение 24 ч в темноте при 4^оС (эти температурные условия, по мнению авторов, соответствуют возможному применению биологических систем для биодеструкции УНТ в окружающей среде в различное время года). Затем добавляли пероксид водорода (конечная концентрация была невысокой, ~ 40 µМ). Для оценки активности пероксидазы использовали спектрофотометрический метод и электронный парамагнитный резонанс. Оба метода подтвердили, что нанотрубки не снижают активность фермента. Эксперимент продолжался 16 недель. В течение этого срока каждые 2 недели отбирали и исследовали пробы (250 микролитров) инкубированной суспензии; для компенсации добавляли равный объем 80 µМ Н₂О₂.

Данные спектрофотометрии подтвердили, что происходило окисление карбоксилированных нанотрубок. Контроль каждой пробы с помощью просвечивающей электронной микроскопии наглядно показал, как происходит деструкция нанотрубок (рис.2). Сначала уменьшается их длина (если исходная длина в среднем ~520 нм, то через 8 недель она составляет ~230 нм), через 8 недель наблюдается появление глобулярного вещества; через 12 недель в пробе в основном присутствуют глобулы; через 16 недель нанотрубки практически отсутствуют!

Рис.2 Биодеградация ОСНТ: а – исходная проба; b – уменьшение длины и появление глобул через 8 недель; с – проба через 12 недель [1]

В дополнение был проведен термогравиметрический анализ (ТГА) более крупного образца, к которому периодически добавляли пероксид. Примерно 5 мг карбоксилированных ОСНТ были инкубированы с пероксидазой при 37^оС, и в течение 5 дней каждый час добавляли 1 мМ Н₂О₂. Оказалось, что в результате этой процедуры вес нанотрубок уменьшился примерно на 40%. Профили ТГА показывают, что потери веса для карбоксилированных ОСНТ начинаются с 200^оС (для исходных – с 900оС). Нанотрубки, инкубированные с пероксидазой и Н₂О₂, оказались менее стабильными: общие потери веса были гораздо больше и особенно значительными при 100^оС и 670^оС. Это указывает на более высокий уровень возникших дефектов, что подтверждено электронномикроскопически. В своих исследованиях авторы [1] использовали также масс-спектро-метрию, гель-электрофорез, спектроскопию в УФ, видимой и ближней ИК областях спектра. Данные подтвердили окислительную модификацию нанотрубок при воздействии пероксидазы/ Н₂О₂.

Таким образом, разработан мягкий, естественный метод безопасного удаления углеродных нанотрубок в условиях окружающей среды. Ученые продолжают исследования. Необходимо выяснить, что представляют собой продукты деструкции ОСНТ, насколько они безвредны. Интересно найти другие эффективные пероксидазы, содержащиеся в растениях и животных, ведь расширение возможностей каталитической биодеструкции нанотрубок позволит применять эти материалы в медицинских целях, не опасаясь токсичных эффектов.

_____________________________

¹ Ферменты (белковые вещества) – катализаторы, синтезируемые живыми клетками и регулирующие сложные химические процессы, протекающие в клетках растений и животных. Названия ферментов обычно образуются путем прибавления окончания «-аза» к названию вещества, на которое данный фермент действует. Так, пероксидазы активируют кислород пероксида водорода (а также органических перекисей) и катализируют окисление многих фенолов и ароматических аминов. Пероксидаза — один из наиболее распространенных ферментов, он содержится в растениях, микробах, тканях животных.

О. Алексеева

• 1. B.L.Allen et al., Nano Lett. 8, 3899 (2008)
• 2. ПерсТ 15, вып. 21, с.3 (2008)
• 3. Г.В.Преснова и др,. Рос. хим. ж. LII, № 2, 60 (2008)