Суперкомпьютер «Ломоносов» помог найти средство против пестицидов и бактерий

Сотрудники химического факультета Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова ускорили распад молекул фосфорорганических пестицидов в почве, а также снизили устойчивость обитающих там бактерий к антибиотикам с помощью фермента органофосфатгидролазы. Способы повысить его активность определяли с помощью компьютерных алгоритмов. Результаты этой работы отражены в трех научных статьях, опубликованных в журналах International Journal of Environmental Research and Public Health, Jundishapur Journal of Natural Pharmaceutical Products и Catalysts.

Фосфорорганические соединения (ФОС) можно разложить на более простые молекулы с помощью фермента органофосфатгидролазы. Он присутствует во многих живых клетках и наиболее эффективно работает именно в них. Поэтому просто получить большое количество фермента и ввести его в почву, в которую попали ФОС, недостаточно. Нужно стабилизировать молекулы органофосфатгидролазы таким образом, чтобы они сохраняли свою активность вне клеток. Способы сделать это ученые смоделировали на суперкомпьютере «Ломоносов», принадлежащем МГУ.

Расчеты показали, что наилучший способ стабилизировать органофосфатгидролазу — присоединить к ее молекулам цепочки из множества аминокислот, а конкретно глутаминовой и аспарагиновой кислот. Комплексы фермента с такими цепочками нанесли на дешевый и распространенный носитель — цеолит. Он позволил увеличить площадь поверхности, на которой происходит реакция разложения ФОС с участием органофосфатгидролазы, и таким образом ускорить ее. Тесты проводили в почве, содержащей ФОС-пестицид хлорпирифос в концентрации 100 мг/кг. После погружения в нее цеолита с ферментом содержание хлорпирифоса в почве измеряли каждые несколько часов. Всего за трое суток весь пестицид разложился.

Также химики проверяли, поможет ли их способ стабилизации органофосфатгидролазы усилить действие противомикробных препаратов. Для этого они помещали в почву цеолит с нанесенным на него ферментом с дополнительными цепочками аминокислот, а также антибактериальные вещества — лактоны. Их способность уничтожать микроорганизмы проверяли на бактериях Escherichia coli и Pseudomonas aeruginosa, часто встречающихся в почве.

Использованные бактерии генетически модифицировали так, чтобы они вырабатывали флуоресцентные белки, то есть светились в темноте. Снижение светимости образцов почвы говорило о том, что численность Escherichia и Pseudomonas снизилась. Для того чтобы гибель бактерий началась, при применении цеолитов с органофосфатгидролазой требовались дозы антибиотиков, в 8,5 раза меньшие, чем без использования этого фермента.

Фосфорорганические соединения — это молекулы органических веществ, в состав которых входят атомы фосфора (как правило, в виде ионов фосфата PO₄3-). Они широко используются для борьбы с сорняками, вредителями сельскохозяйственных растений и паразитами животных. Один из самых известных препаратов этого класса — гербицид глифосат. Хотя фосфороорганические соединения сравнительно легко разлагаются до безопасных веществ (фосфорной кислоты, углекислого газа и воды), они весьма токсичны для людей и других животных, не относящихся к вредителям. Поэтому скорость распада фосфороорганических пестицидов крайне желательно дополнительно увеличить. Судя по результатам, полученным химиками МГУ, это вполне реально.