Да, основу для биогибридных катализаторов.
Прослышав, что Институт органической химии им. Н.Д.Зелинского РАН взаимодействует с Тульским государственным университетом в области химии устойчивого развития, я попросила академика Валентина АНАНИКОВА найти время для Zoom-конференции, чтобы поговорить с участниками работы как за круглым столом. Уж очень сногсшибательно звучала их идея: выращивать биогибридные катализаторы на основе металлов и бактерий, взятых из городских сточных вод.
– Если говорить точно, мы работаем с микроорганизмами определенного штамма (Paracoccus yeei), выделенными научным коллективом Тульского госуниверситета из сточных вод очистных сооружений нашего города, - говорит кандидат химических наук Ольга КАМАНИНА, доцент, ведущий научный сотрудник ТулГУ.
- Чем они нас привлекли? Живучестью. Колонии их быстро и легко растут в термостате в питательной среде, не требуя особого присмотра. Только при перемешивании и температуре, равной 28°C. А в среде, содержащей соли металлов, сохраняют способность размножаться: клетки Paracoccus yeei не только не гибнут, встречаясь с солями палладия, что было бы логично, ведь Pd токсичен, но и умудряются адсорбировать и химически восстановить металл. В результате образуется биогибридный катализатор, который очень вдохновляет нас.
Даже сегодня, спустя несколько лет как Ольга приступила к работе с бактериями и палладием, в голосе ее слышится волнение: «Когда с помощью электронного микроскопа видишь бактерии, поверхность которых облеплена наночастицами тяжелого металла, это поражает. А когда в срезах такой клетки мы еще обнаружили палладий внутри микроорганизма, вообще неделю ни о чем другом думать не могла! Ну, как это, клетка инкапсулирует палладий? То ли пытается защитить свое существование от разрушающего воздействия агрессивного метала, то ли «договаривается» с ним о сосуществовании… И остается жива!»
– А для вас это важно?
– Если брать автоклавированные или пастеризованные микроорганизмы, жизнеспособность их будет резко снижена, хорошего катализатора на них не получишь. Чтобы достичь высокого результата, палладию надо взаимодействовать с живыми бактериальными клетками. Тогда образуется катализатор, в котором две части: биологическая - это клетка бактерий - и химическая - наночастицы металла.
Мы опробовали его в различных реакциях кросс-сочетания (реакции Сузуки - Мияуры и Мизороки - Хека). Сегодня они в центре внимания всех органиков-синтетиков. В 2010 году была вручена Нобелевская премия «За палладий-катализируемые реакции кросс-сочетания в органическом синтезе» Ричарду Хеку, Эйити Нэгиси и Акире Сузуки.
– Реакции кросс-сочетания используют при производстве лекарственных препаратов, в агрохимии, тонком органическом синтезе для электроники, получения биологически активных веществ, - уточняет академик В.Анаников.
- Разрабатывать катализаторы для таких процессов чрезвычайно ответственно. Но большим плюсом биогибридных каталитических систем является то, что они получаются однородными по составу, потому что в бактериальной клетке есть то, что заложено ее геномом. Если использовать другие материалы - носители для изготовления катализаторов, например, можно взять активированный уголь, то он всегда различен, в зависимости от древесины, из которой его получали. И тогда свойства катализатора тоже различны от партии к партии, и даже внутри одной партии могут отличаться катализаторы.
Бактериальные клетки имеют одинаковое строение, состав, который легко обеспечить, если растить их при одних и тех же условиях. Поэтому биогибридный катализатор, полученный из бактериальных клеток, показывает высокую эффективность в химических реакциях, отличные перспективы в органическом синтезе.
– Вы идете тропой, проторенной зарубежными коллегами?
– Не-е-ет, - и Валентин Павлович вытягивает из стола журнал Английского королевского общества Nanoscale (https://doi.org/10.1039/D4NR03661A). Демонстрирует публикацию своего института совместно с коллегами из ТулГУ, которая вышла в этом издании. И еще показывает пару статей на ту же тематику в журналах первого квартиля. Мелькает название одного - Journal of Catalysis (https://doi.org/10.1016/j.jcat.2023.115238). И продолжает.
– Мировое сообщество признает, что мы ведем очень перспективное междисциплинарное исследование. Да, существует очень много предположений, почему микроорганизмы могут синтезировать наночастицы металлов. В нашем случае - палладия, но, вообще-то, бактерии могут синтезировать наночастицы и платины, и меди, и никеля, и золота, и серебра.
Концептуальная новизна нашего проекта в том, что мы связываем между собой микроорганизмы и химические процессы. Причем используем бактерии для того, чтобы сделать новые катализаторы для органической химии. Микроорганизмы служат платформами для нанесения наночастиц металлов, восстанавливая предшественник палладия и стабилизируя размер наночастиц, и эти бактериальные клетки с нанесенными наночастицами металлов затем используют как катализаторы.
– Есть еще группа британских ученых, которые исследуют формирование наночастиц металлов платиновой группы микроорганизмами и применение их в катализе. Но для выяснения механизма формирования наночастиц клетками они идут другим путем, - продолжает ответ на вопрос Ольга Александровна. - Они в микроорганизмах выключают различные ферменты, то есть ограничивают клеткам какие-то жизненные процессы, и смотрят, получаются наночастицы или нет. Пока не нащупали важнейшее звено. Мы же хотим сравнить геномы микроорганизмов, способных к формированию наночастиц, чтобы найти общие гены. Но ни британцы, ни мы пока механизм не распознали, хотя сделали любопытные предположения.
– А почему образовался такой тандем (ИОХ и ТулГУ) по этой теме?
– Инициатор сотрудничества - ректор Тульского государственного университета Олег Александрович Кравченко. Он доктор технических наук, по образованию энергетик, специалист в области химии устойчивого развития. Зная работы ИОХ, он и предложил Валентину Павловичу сотрудничество с вузовской школой биотехнологов, которую выпестовал Валерий Анатольевич Алферов, сейчас возглавляющий у нас Естественно-научный институт, - говорит О.Каманина. - А у Валентина Павловича была идея гибридных катализаторов. Вот и сошлись возможности и интересы.
– И все-таки как конкретно получается катализатор?
– В лаборатории мы просто смешиваем в пробирке исходные вещества - микроорганизмы, воду, добавляем соль палладия и подаем водород, - вступает в разговор Павел РЫБОЧКИН, младший научный сотрудник лаборатории биологически активных соединений и биокомпозитов, ассистент кафедры биотехнологии Тульского государственного университета. Он исполнитель поддержанного Российским научным фондом проекта по формированию гибридного биокатализатора. - Формирование этого катализатора происходит за 7-10 минут.
Остается полученный биогибридный катализатор отцентрифугировать, чтобы убрать воду, а осадок клеток микроорганизмов с наночастицами - собрать. Вот эта простота получения катализатора позволит, надеюсь, легко масштабировать технологию для применения в промышленности.
Производственная тема Павлу Владимировичу близка. По образованию он биотехнолог. Но сейчас под научным руководством О.Каманиной готовит к защите кандидатскую диссертацию на тему «Биогибридные палладиевые катализаторы на бактериальных носителях: синтез, характеризация и применение в реакциях кросс-сочетания».
– Ольга, а вам нравится заниматься наукой?
– Очень, по завершении университета я начала вести занятия на кафедре биотехнологии и в оставшееся от преподавательской деятельности время занималась научными исследованиями. Но все очень сильно поменялось в 2021-2022 годах: ректор предложил создать молодежную научную лабораторию, продолжить образование в докторантуре, чтобы воплотить в жизнь мечту - больше заниматься наукой.
Но не только создание лаборатории и оснащение ее современным оборудованием повлияли на мое развитие. Очень важной оказалась организация Олегом Александровичем регулярных стажировок для меня и моих сотрудников в передовой лаборатории, возглавляемой академиком В.Ананиковым. Это позволило абсолютно по-другому взглянуть на тематику своих исследований и сильно их изменить, увидеть науку с новой перспективой и поучиться работе на фронтире исследований. До этого времени ученые Тульского государственного университета сотрудничали только с коллегами из Пущинского научного центра, что позволяло развить свои компетенции в области биотехнологии.
Однако подняться на высокий уровень понимания не так просто, поскольку наиболее динамично развивающиеся области науки сегодня находятся на стыке различных дисциплин, особенно в междисциплинарных проектах, объединяющих химию и биологию.
Использование междисциплинарного подхода может привести к открытиям, которые не удается сделать с помощью традиционных химических или биотехнологических методов. Тем не менее эта область науки все еще остается малоизученной, и исследователям предстоит столкнуться с множеством неизвестных фактов и явлений.
– Получаемые нами микроорганизмы живут таким кубиками, делящимися в трех взаимно перпендикулярных направлениях. На языке науки их зовут «сарцины», - продолжает погружать меня в исследования Ольга Александровна.
- Мы предположили, что их умение разом делиться во все стороны способствует образованию маленьких наночастиц, которые нам как раз нужны. И еще, когда мы сделали их срезы, говоря проще, нашинковали кубики вдоль тонкими слайсами, то под микроскопом разглядели, что состоят они из микроорганизмов размером по 1 мкм каждый, с наночастицами палладия со средним размером 4 нанометра.
Известны два пути получения наночастиц палладия - химический и биологический. Химический - из Pd(II) восстанавливаем до Pd(0) под действием водорода, а дальше он через мембрану проникает внутрь клетки и уже там стабилизируется какими-то ее компонентами. Какими точно, науке на текущий момент неизвестно.
Биологический путь - наночастица. Восстанавливается посредством ферментов клетки и остается пребывать рядом с клеткой или само восстановление происходит внутри. Важно, чтобы наночастицы катализатора не слипались, становясь большими и теряя свою каталитическую активность, потому что при слипании уменьшается рабочая поверхность катализатора. При использовании микроорганизмов этого не происходит, потому что компоненты клетки стабилизируют наночастицы и в среднем они 4 нм. Но почему это происходит, мы пока сказать не можем. Изучаем, анализируем.
– Важно, что, сравнивая в реакции кросс-сочетания катализатор палладий на углероде с катализатором палладий на бактериях, убеждаешься, что катализатор на бионосителе обладает, например, более высокой селективностью образования продукта и активность катализатора на бионосителе несколько выше других, - уточняет В.Анаников.
- Интересно и то, что после пяти циклов реакции Мезороки - Хека у нас размер наночастиц увеличивается всего в полтора раза: с 4 нанометров вырастает до 6. А мы знаем по реакции Мезороки - Хека на углеродных носителях иногда уже после одного цикла размер наночастиц может вырасти в 10 раз!
То есть, возможно, та форма, которую Ольга Александровна упоминала (сарцина), помогает эффективнее сохранять оптимальный параметр наночастиц и не позволяет им агрегировать в ходе реакции. Вот именно такие невероятные идеи (где-то между двумя областями наук), они как раз и дают особо красивые результаты.
Невероятная идея, кстати, уже привлекла немало сторонников. Кроме научных сотрудников, студентов, магистрантов ТулГУ и ученых ИОХ ею увлечены микробиологи и биологи Пущинского научного центра. К ним обращаются по компетенциям, в которых пока вуз не так силен. А ведь так хочется понять, как микроорганизмы синтезируют наночастицы! Тогда удастся провести генетическую модификацию бактерий, сделать биокатализаторы определенных свойств, «задав» размер наночастиц.
По мнению ректора ТулГУ О.Кравченко, центральная идея химии устойчивого развития - экономное использование ресурсов, применение технологий, которые не наносят ущерба природе, то есть забота о будущих поколениях людей на планете. Те самые микроорганизмы, бактериальные клетки можно выращивать фактически на отходах, то есть легко и дешево. А без них придется для получения катализатора вырубать древесину для получения активированного угля, делать это при серьезных энергетических затратах, температурах 600-700 градусов. А получение биогибридных катализаторов - энергоэффективная и бережная природоподобная технология. Это - ключ к невероятным возможностям формирования нового технологического уклада - биоэкономике.
Беседовала Елизавета ПОНАРИНА
Фото предоставлены Тульским госуниверситетом
