Фуллерены - продлевают жизнь и отодвигают старость

Учёным удалось добиться двукратного увеличения продолжительности жизни экспериментальных животных при помощи фуллеренов/наночастиц углеродной природы.

Мяч для нанофутболиста?

Фуллерены — необычный класс молекул, представляющих собой одну из форм существования углерода (аллотропных модификаций).

Например, алмаз и графит — это тоже аллотропные формы углерода, но в структуре алмаза атомы углерода собраны в тетраэдры, графит состоит из плоских слоев, образованных шестиугольниками. А вот фуллерены — это шарообразные молекулы с замкнутой поверхностью.

Фуллерен содержит 60 атомов углерода и очень напоминает футбольный микро- мяч, размером всего 1 нанометр)).

Открыли фуллерены в 70-е г. Теоретические квантово-химические расчеты, говорили о их существовании. Но лишь в 1985 г., фуллерены впервые обнаружили при исследовании паров графита после лазерного облучения.

Позже эти молекулы нашли в природных минералах (камень шунгит).

А не так давно выяснилось, что они есть даже в космических туманностях.

Физики и химики используют фулерены при синтезе новых соединений в оптике и при производстве проводников.

Биологи то объявляли их токсичными, то обнаруживали антиоксидантные свойства и предлагали использовать в лечении серьезных заболеваний.

Крысы-долгожители?

В 2012 г вышла публикация, которая привлекла внимание геронтологов — специалистов, работающих над проблемами старения.

В этой работе  — крысы, которых кормили суспензией фуллеренов в оливковом масле, жили вдвое дольше обычных, и демонстрировали повышенную устойчивость к действию токсинов, таких как четыреххлористый углерод. Токсичность этого соединения обусловлена его способностью генерировать активные формы кислорода (АФК), а значит, биологические эффекты фуллеренов, скорее всего, можно объяснить их антиоксидантными свойствами (способностью «перехватывать» и дезактивировать АФК).

Подробно об этом рассказывала: «Алхимия „волшебной сажи“ — перспективы применения фуллерена C60 в медицине» — (ред.)

Связь активных форм кислорода с процессами, происходящими при старении, в настоящее время уже не подвергается сомнению. С 60-х г., когда была сформулирована свободнорадикальная теория старения, и до настоящего времени, данные подтверждающих этo, только накапливаются.

Но, до сих пор, ещё ни один антиоксидант — ни природный, ни синтетический — не давал такого поразительного увеличения продолжительности жизни экспериментальных животных, как в опытах Баати.

Даже специально сконструированные коллективом под руководством академика Скулачева антиоксиданты «адресного действия» — так называемые «ионы SkQ" — показывали менее значительные эффекты.

Эти вещества представляют собой липофильные положительно заряженные молекулы с присоединенным антиоксидантным «хвостом», которые благодаря своей структуре способны накапливаться в митохондриях (именно в этих органоидах эукариотических клеток происходит генерация активных форм кислорода). Однако соединения ряда SkQ продлевали жизнь подопытных мышей в среднем всего на 30%.

Почему фуллерены так эффективны в борьбе со старением ?

Подсказка обнаружилась при изучении одного из соединений ряда SkQ—SkQR1, содержащего остаток родамина. Это соединение группы протонофоров — молекул, способных переносить протоны из межмембранного пространства через мембрану в матрикс митохондрии, снижая, трансмембранный потенциал (??). Именно этот потенциал обеспечивает выработку энергии в клетке. Однако он же и является источником генерации АФК. В сущности, активные формы кислорода здесь сродни «токсическим отходам» при производстве энергии. Хотя они имеют и ряд полезных функций, в основном АФК — источник повреждения ДНК, липидов и многих внутриклеточных структур.

Есть сведения, что некоторое снижение митохондриального трансмембранного потенциала может быть полезным для клеток. Снижение его всего на 10% приводит к уменьшению продукции АФК в 10 раз! Существуют так называемые «мягкие разобщители», повышающие протонную проводимость мембран, которые применяют при лечении ожирения.

Динитрофенол — первый «жиросжигатель», использовавшийся в официальной медицине. Под его действием клетка переключается на альтернативный путь метаболизма, запуская «сжигание» жиров, а получаемая клеткой энергия не запасается в АТФ, как обычно, а излучается в виде тепла.

Поиск легких способов похудения будет актуален всегда, пока представители Homo Sapiens будут беспокоиться о своем внешнем виде; однако для нашего исследования более интересен тот факт, что подобные «мягкие разобщители» снижают выработку АФК и в небольших дозах могут способствуют продлению жизни.

Возникает вопрос — а могут ли фуллерены, кроме антиоксидантных свойств, проявлять еще и свойства «переносчиков» протонов, действуя, таким образом, сразу с двух сторон? Ведь шарообразная молекула фуллерена — полая изнутри, а значит, в ней вполне могут уместиться небольшие частицы — такие как протоны.

Моделирование in silico: что сделали физики

Для проверки этой гипотезы коллективом НОЦ «Наноразмерная структура вещества» были выполнены сложные расчеты. Как и в истории с открытием фуллерена, в нашем исследовании компьютерное моделирование предшествовало экспериментам. Моделирование возможности проникновения протона в фуллерен и распределения заряда в такой системе производилось на основе теории функционала плотности (DFT). Это широко используемый инструмент квантово-химических расчетов, позволяющий вычислять свойства молекул с высокой точностью.

При моделировании один или несколько протонов помещали вне фуллерена, а затем производился расчет наиболее оптимальной конфигурации — такой, при которой полная энергия системы будет минимальной. Результаты расчетов показали: протоны могут проникать внутрь фуллерена! Оказалось, внутри молекулы C60 может накапливаться до шести протонов одновременно, а вот седьмой и последующие уже не смогут проникнуть внутрь и будут отталкиваться — дело в том, что «заряженный» протонами фуллерен приобретает положительный заряд (а, как известно, одноименно заряженные частицы отталкиваются).

Происходит это потому, что проникающие внутрь фуллеренового «шарика» протоны оттягивают на себя электронные облака атомов углерода, что приводит к перераспределению заряда в системе «протоны+фуллерен». Чем больше протонов проникает внутрь, тем сильнее положительный заряд на поверхности фуллерена, тогда как протоны, напротив, все сильнее приближаются к нейтральным значениям. Эту закономерность можно проследить: когда количество протонов внутри сферы превышает 4, они становятся нейтральными (желто-оранжевый цвет), ну а поверхность фуллерена всё сильнее «синеет».

Распределение положительного заряда внутри системы «фуллерен+протоны». Слева направо: два, четыре или шесть протонов внутри фуллерена. Цветом обозначено распределение заряда: от нейтрального (красный) до слабоположительного (синий).

Вначале расчеты были выполнены только в системе «фуллерен+протоны» (без учета влияния других молекул). Но ведь в клетке фуллерен находится не в вакууме, а в водной среде, заполненной множеством соединений разной степени сложности. Поэтому на следующем этапе моделирования физики добавили к системе 47 молекул воды, окружающих фуллерен, и проверили, не повлияет ли их присутствие на взаимодействие с протонами. Однако и в присутствии воды модель действовала успешно.

Биологи подтверждают гипотезу?

Известие о том, что фуллерены могут адсорбировать протоны, да еще и приобретают при этом положительный заряд, вдохновило биологов. Похоже, что эти уникальные молекулы и вправду действуют сразу несколькими путями: инактивируют активные формы кислорода (в частности, гидроксильные радикалы, присоединяя их по многочисленным двойным связям), адресно накапливаются в митохондриях благодаря своим липофильным свойствам и приобретенному положительному заряду, и, вдобавок ко всему, снижают трансмембранный потенциал, перенося протоны внутрь митохондрий, подобно другим «мягким разобщителям» дыхания и окислительного фосфорилирования.

Для изучения антиоксидантных свойств фуллеренов мы использовали систему экспресс-тестов на основе биолюминесцентных бактериальных биосенсоров. Биосенсоры в данном случае — генетически-модифицированные бактерии, способные улавливать повышение внутриклеточной генерации АФК и «сигнализировать» об этом исследователям. При создании биосенсоров в ген?м одного из безвредных штаммов кишечной палочки Escherichia coli вводится искусственная конструкция, состоящая из генов люминесценции (свечения), поставленных под контроль специфических промоторов — регуляторных элементов, «включающихся» при повышении внутриклеточной генерации активных форм кислорода, или же при действии иных стресс-факторов — например, при повреждении ДНК. Стоит начать действовать на клетку таким стресс-фактором — бактерия начинает светиться, и по уровню этого свечения можно с достаточной точностью определить уровень повреждений.

Светящиеся бактерии на чашке Петри (слева) и принцип действия биосенсоров (справа)

Такие модифицированные штаммы разрабатываются в ГосНИИ Генетики и широко применяются в генетической токсикологии  при изучении механизмов действия излучений и окислительного стресса, действия антиоксидантов (в частности, SkQ1), а также для поиска новых перспективных антиоксидантов среди синтезируемых химиками веществ.

В нашем случае использование именно бактериальной модели обусловлено следующим: бактерии, как известно, относятся к прокариотам, и клетки их устроены проще, чем эукаэриотические. Процессы, происходящие в мембране митохондрий эукариот, у прокариот реализуются прямо в клеточной мембране; в этом смысле бактерии — «сами себе митохондрии». (Удивительное сходство строения этих органелл с бактериями даже послужило в свое время основой для так называемой симбиотической теории происхождения эукариот.)

Следовательно, для изучения процессов, происходящих в митохондриях, подобная модель вполне подходит.

Первые же результаты показали, что водная суспензия фуллерена C60, для более эффективного растворения обработанная ультразвуком, при добавлении к культуре биосенсоров увеличивала их устойчивость к повреждению ДНК активными формами кислорода. Уровень таких повреждений в опыте был на 50–60% ниже, чем в контроле.

Кроме того, было зафиксировано снижение уровня спонтанной продукции супероксид-анион-радикала в клетках SoxS-lux штамма при добавлении суспензии C60. Особенностью этого штамма как раз и является связь уровня его свечения с количеством супероксид-анион-радикала. Именно такого эффекта следует ожидать от соединения, действующего по принципу «мягких разобщителей» — если снижается трансмембранный потенциал, то и АФК (в частности, супероксид) будут вырабатываться в меньших количествах.

Полученные результаты, конечно, весьма предварительны, и работы еще продолжаются, именно поэтому в подзаголовке данного раздела и стоит вопросительный знак. Время покажет, сможем ли мы со временем заменить его на уверенный восклицательный. Ясно одно — в ближайшее время фуллерены неизбежно окажутся в фокусе внимания научных коллективов, изучающих проблемы старения и занимающихся поиском геропротекторов — веществ, замедляющих старение. И кто знает, не станут ли эти крохотные «шарики» надеждой на продление столь короткой пока человеческой жизни?

Работа проводилась в лаборатории экспериментального мутагенеза и лаборатории промышленных микроорганизмов НИИ биологии ЮФУ, а также в НОЦ «Наноразмерная структура вещества», ЮФУ, под руководством проф. А.В. Солдатова. Основные результаты моделирования системы «фуллерен+протоны» и биологические эффекты описаны в работах.

Литература

Соколов В.И. и Станкевич И.В. (1993). Фуллерены — новые аллотропные формы углерода: структура, электронное строение и химические свойства. «Успехи химии». 62б, 455;

Телеграм: t.me/ainewsline

Источник: vk.com

Комментарии: