Химики и биологи Санкт-Петербургского государственного университета (СПбГУ) разработали новые реагенты на основе гетероциклоалкинов, позволяющие надежно и безопасно прикреплять флуоресцентные метки к биомолекулам. Созданные вещества помогут визуализировать процессы, происходящие в клетках и тканях живых организмов, и изучать их динамику в режиме реального времени.
Сегодня у ученых есть возможность изучать состав и изменение живых клеток с помощью флуоресцентного биоимиджинга. Это метод, при котором интересующие исследователя молекулы в организме, такие как белки или ДНК, «подсвечиваются» флуоресцентными красителями и под воздействием света определенной длины волны становятся видимыми для систем обнаружения.
Чтобы биовизуализация была успешной, флуоресцентные метки и выбранные молекулы должны быть безопасно «сшиты». Для этого используются специальные химические реакции. На рынке уже есть несколько типов реагентов на основе циклоалкинов, молекул, которые имеют замкнутый цикл атомов углерода с тройной углерод-углеродной связью внутри цикла. Однако ученым Санкт-Петербургского университета под руководством доктора химических наук, директора Института химии Ирины Баловой удалось синтезировать принципиально новые реагенты. Они легкодоступны и устойчивы к воздействию окружающей среды и других реагентов.
Работа над веществами проводилась в несколько этапов. Изначально исследователи создали специальный синтетический метод получения циклоалкинов. Это облегчило дизайн и синтез ряда молекул с разным размером кольца (от восьми до десяти атомов) и особыми структурными элементами: гетероциклическим кольцом и гетероатомом (любым атомом, кроме углерода или водорода) в циклоалкине. Эти элементы были важны для тонкой настройки баланса между активностью в SPAAC (биортогональная клик-реакция, т.е реакция, которая может происходить в живых клетках, но не повреждает их и не подвергается влиянию живых систем) и стабильностью.
Затем химики Санкт-Петербургского университета изучили реакционную способность и стабильность синтезированных соединений с помощью кинетических исследований и квантово-химических расчетов.
По словам кандидата химических наук, доцента кафедры органической химии СПбГУ Натальи Данилкиной, эксперименты и расчеты помогли выявить неклассическую реакционную способность соединений с девятиатомными циклами.
На основании этих данных ученые определили, что наиболее подходящей группой реагентов для СПААК являются гетероциклоалкины (циклононины), содержащие девятиатомные гетероциклы. Эти соединения демонстрируют наилучший баланс между стабильностью и реакционной способностью.
На последнем этапе исследователи СПбГУ разработали метод добавления флуоресцентных красителей к новой группе реагентов и провели эксперименты по введению полученных соединений в биомолекулы раковых клеток. Исследования проводились в лаборатории биомедицинской химии Санкт-Петербургского государственного университета. Эксперименты подтвердили эффективность девятичленных циклоалкинов для SPAAC. По словам Натальи Данилкиной, ученые СПбГУ уже могут использовать новые реагенты для проведения исследований в различных областях.
В настоящее время научная группа работает над усовершенствованием полученных веществ. В дальнейшем исследователи планируют запатентовать разработку.
«Теперь клетке требуется восемь часов, чтобы прореагировать с нашими реагентами. Наша цель – довести эту реактивность до 15 минут. Были испытаны все возможные варианты конструкций с повышенной реакционной способностью при сохранении стабильности. Поиск наиболее эффективной молекулы. Мы также подбираем оптимальные способы связывания реагентов с флуоресцентными красителями и другими группами», — заключает Наталья Данилкина.
«Наша работа полностью соответствует приоритетным направлениям Программы научно-технологического развития Российской Федерации и Программы развития Санкт-Петербургского университета, которые связаны с переходом на персонализированную медицину и высококлассное медицинское обслуживание технологии. Молекулы, которые мы изобретаем и синтезируем, являются молекулярными инструментами для биологов и врачей. Они позволяют исследовать молекулярные механизмы заболеваний и находить эффективные методы их лечения», — рассказала руководитель исследовательской группы, профессор Ирина Балова.
Работы по изучению соединений проводились на базе Научного парка СПбГУ: в Вычислительном центре, а также в ресурсных центрах «Методы анализа состава вещества», «Исследования магнитного резонанса». Методы» и «Рентгеноструктурные методы исследования». Работа выполнена при поддержке гранта Российского фонда фундаментальных исследований и грантов Российского научного фонда. Результаты работы также опубликованы в Журнале Американского химического общества.
