ДЕНДРИМЕРЫ

«Словами мы познаем суть вещей», – говорил мудрый царь Соломон, осуществлявший широкое градостроительство (при нем был построен так называемый Соломонов храм в Иерусалиме). Действительно, термины и названия, особенно используемые в науке, часто отражают суть наблюдаемого явления, т. е. в самом научном термине нередко бывает сокрыта природа изучаемой проблемы. Один из таких терминов – «дендрон» (от греч. – дерево).

Химики, можно сказать, осознанно заимствовали это слово. Дендрарий – это участок территории, на котором размещена коллекция экзотических деревьев, кустарников, лиан, культивируемых в открытом грунте.
Нет ничего удивительного в том, что в свое время синтезированные ветвящиеся молекулы и создаваемые на их основе сферические образования (глобулы) были названы (при добавлении греческого слова – часть) дендримерами.
Это было запоминающееся событие в истории полимерной химии, поскольку до тех пор полимеры были известны лишь в виде длинных цепей, нередко переплетающихся, наподобие спагетти. Конечно, ученые, особенно биохимики, знали и гораздо более сложные биополимеры, молекулы которых могут связываться (спариваться), как в случае РНК и ДНК, образовывая замысловатые трехмерные переплетения. Однако все равно это были линейные молекулы, принцип формирования которых заложен в природе линейного генетического кода.
Слегка ветвиться могут полисахариды (крахмал, гликоген) и в некоторой степени жиры – триглицериды. Но никто до середины 1980-х гг. не мог представить себе, что можно синтезировать полимеры, ветвящиеся наподобие лучей взрывающейся сверхновой звезды. Первые дендримеры в виде полиамидоаминов их разработчик Дональд Томалиа так и назвал – star burst («взрыв звезды»).
«Выращивание» такого дендримера начинается с «сердцевины», представляющей собой исходное его звено, полученное в результате реакции аммиака с метилакрилатом. После этого в среду добавляется избыток этилендиамина. Полимеризация ведется с использованием стратегии «защита – снятие защиты», применяемой при синтезе протеинов и нуклеиновых кислот с заданной последовательностью аминокислот и нуклеотидов.
При таком подходе в результате первой стадии полимеризации на концах «ветвей» оказываются свободные аминогруппы, каждая из которых способна реагировать с двумя дополнительными мономерами метилакрилата, а те в свою очередь с двумя молекулами этилендиамина. Так формируется дендример первого поколения (рис. 1). Таких последовательных стадий насчитывается только девять, «после чего реакция внезапно и самопроизвольно прекращается», по словам Томалиа.

Рис. 1. Двумерные схематические проекции разветвленного дендримера, растущего с сердцевины
Рис. 1.
Двумерные схематические проекции
разветвленного дендримера,
растущего с сердцевины

Он видит причину этого в слишком большом количестве мономеров и их плотной упаковке, в результате чего образуется «мембрана», препятствующая дальнейшему протеканию полимеризации. Оно и понятно, если учесть, что в мицелле (так дендримерщики называют конечный шароподобный продукт), или «грибнице», в слое девятого поколения содержится 3069 мономеров, а ее диаметр составляет от 98 до 105 (~10 нм).
Надо сказать, что чиcто фундаментальные опыты Томалиа не устраивали воротил промышленного синтеза из гигантского концерна «Доу кемикал» (США), в котором он работал. «Их интересовали только крупнотоннажные поставки стиральных порошков и удобрений», – сетовал потом ученый, вынужденно покинувший ведущий американский концерн и перебравшийся в более академически настроенный исследовательский институт в Мидленде (США, штат Мичиган).
Его звездный час настал в самом начале 1990-х гг. «Томалиа создал совершенно новую область химии», – отзывался о его открытии коллега из Корнеллского университета в г. Итака (США, штат Нью-Йорк). Ему вторил ведущий специалист по полимерам из концерна «Дюпон» (США): «Томалиа продолжал привлекать внимание к своим дендримерам и в конце концов убедил всех, что этим стоит заниматься».
С тех пор Томалиа и его сотрудники синтезировали множество дендримерных семейств, характерной чертой которых является сферическая форма мицелл. В зависимости от исходного мономера можно регулировать и строго контролировать пористость внешней мембраны мицеллы. При этом получаются либо практически герметичные, либо протечные мицеллы. Протечки очень характерны для мембранных оболочек живых клеток, поэтому ученый сравнивает свои мицеллы с живыми клетками, хотя это и несколько натянутое сравнение.

Уже в начале 1990-х гг. Томалиа задался целью поместить внутрь мицелл естественные белковые ферменты. Соединяя мицеллы в цепи, он хотел таким образом имитировать естественные энзимные каскады в клетках. Но из этой затеи тогда ничего не вышло: очень уж велика «инерция» природы, которую не так-то просто преодолеть. К тому же никто не знал, как внедрить огромную молекулу протеина-катализатора внутрь глобулы дендримера.
Одно из первых технологических применений дендримеров, имеющих строго контролируемые размеры мицелл, – калибровка молекулярных сит. В Корнеллском университете дендримеры хотели приспособить для нужд микроэлектроники в нарождающейся нанотехнологии. Сам Томалиа создал гадолиниевые и магниевые производные дендримеров, на поверхности которых хелатными группами удерживались ионы этих металлов. Такие дендримерные «метки» стали активно использовать особенно в последние годы в качестве контрастов при проведении исследований с помощью метода ядерного магнитного резонанса (ЯМР).
Подобные метки позволяют легко проследить «судьбу» введенных в организм подопытного животного стволовых клеток и их миграции. Это особенно важно в случае клеток, подсаженных в мозг.
Несмотря на свои довольно большие размеры, дендримеры хорошо растворимы, причем некоторые из них даже в воде. Это, безусловно, способствует их внедрению в науку и практику.
Поражает также гигантская поверхность дендримеров – порядка 1000 м2 в пересчете на грамм! Такая поверхность обладает повышенной свободной энергией, отчего «текут слюнки» у специалистов по промышленному катализу. Дендримеры к тому же легко выделяются из реакционной смеси с помощью чуть ли не фильтровальной бумаги.
Дендримеры, как показал Томалиа, способны образовывать и нерастворимые пленки, в которых они соединены перекрестными связями. Такие пленки используют для разделения ничтожных количеств газов, изотопов, а также энзимов и других белков. Регулируя размеры мицелл и расстояния между ними, можно делать молекулярные сита со строго заданными порами.

И все же это были во многом лишь захватывающие перспективы, которые тогда плохо воплощались в технологии. Понадобилось еще долгих 10 лет для того, чтобы дендримеры постепенно превратились в полноправные «звезды мегамасштаба».Прежде всего в результате многочисленных исследований ученые пришли к выводу, что за как можно большими размерами гнаться не стоит, и остановились на мицеллах, сформированных из четырех слоев (поколений). Это особенно важно в фотонике, где используется градиент (перепад) электрического потенциала между внутренней и наружной частями дендримера. Такие дендримеры вполне имитируют светоулавливающие системы растительных клеток, в которых захваченный фотон солнечного света отдается атому магния в центре порфиринового кольца хлорофилла.
Уловленный квант солнечного света «выбивает» электрон из атома магния, после чего электрический заряд по цепи молекул переносится к атому железа на противоположной стороне мембраны хлоропласта. Так заряжаются две поверхности мембраны.
Под действием созданного электрического потенциала осуществляется затем фотолиз воды, причем клеточный яд – кислород – «выбрасывается» из зеленых листьев, а водород используется в темновой стадии фотосинтеза при фосфорилировании АДФ в ходе синтеза АТФ. Энергия, запасенная в АТФ, затем расходуется ферментами на восстановление СО2. Этот процесс поддерживает жизнеспособность биосферы на протяжении многих миллионов лет, но нам никак не удается им овладеть...
На такое дендримерщики сейчас и не замахиваются. Они пытаются пока заставить внешние поколения дендримеров абсорбировать фотоны, трансформировать их в сердцевину и затем все их разом испустить.
В Йокогамском университете (Япония) синтезировали дендример, содержащий четыре поколения иминов вокруг молекулярного ядра (рис. 2) (см. с. 2). После этого стали изучать природу связывания ионов олова Sn2+ c атомами азота в пределах мицеллы. Логично было ожидать, что ионы олова будут связываться с наиболее доступными, т. е. наружными, атомами. Однако, как показали тонкие квантовые измерения, ионы металла почему-то устремляются в сердцевину дендримера.

Рис. 2. Четырехслойный (четыре поколения – слоя) дендример
Рис. 2.
Четырехслойный
(четыре поколения – слоя)
дендример

Синтезированный японскими учеными дендример получил название «дендритный полифенилазометин» (ДПA). Этот дендример хорошо растворим в смеси (1:1) дихлорметана и ацетонитрила. При добавлении SnCl2 ионы олова образуют комплексы с иминовыми группами (вовлекается в комплексообразование вплоть до 30 эквивалентов), причем насыщение дендримера этими ионами, как упоминалось выше, идет от сердцевины к периферии.
Химические методы позволяют управлять подобными процессами. При замене фенильного заместителя ДПА тетрафторфенилом, который притягивает к себе электроны, снижается щелочность сердцевины. Таким образом, перенос электрона регулирует щелочной градиент в мицеллах. На обычном языке это означает, что в дендримерах щелочность управляет склонностью и способностью химических групп принимать протоны или положительно заряженные ионы.
Последовательное связывание позволит, как надеются японские учение, в будущем использовать присущую дендримерам самосборку для контроля частиц наномасштаба, т. е. с размерами лишь несколько десятков ангстрем. Дендримеры можно «эксплуатировать» также в такой области, как распознавание молекул, что подразумевает захват более мелких молекул и манипулирование ими. Это необходимо для контролируемого катализа.
Через полгода после сообщения японских ученых в журнале Nature была опубликована статья из Иллинойского университета, в которой описывались еще более разительные результаты. Похоже, что давняя мечта ученых сбылась. Но изложим все по порядку.

Биохимики всегда с завистью смотрели на белковые энзимы, у которых есть специальная каталитическая полость с ведущими к ней каналами, по которым в нее поступает субстрат, и после катализа на активных центрах из нее выходит целевой продукт. Дендримерщики целых 10 лет обещали биохимикам сотворить нечто подобное, но... И вот наконец-то создан дендример с регулируемой полостью, внутри которой можно проводить катализ.
Для этого в качестве сердцевины был взят не экзотический мономер сложного строения, а давно и хорошо всем известные порфирины, в которых основу составляют четыре пиррольных кольца, связанные друг с другом в -положениях через четыре группы СН (порфин). Порфирины присутствуют в хлорофилле, гемоглобине, а также во многих других природных соединениях, например, в той же голубой крови некоторых рыб и моллюсков. «Расцветка» порфиринового производного зависит от входящего в него иона металла: в хлорофилле – это магний, а в гемоглобине – железо, в гемоцианине (голубая кровь) – медь.
Затем сотрудники Иллинойского университета к порфирину присоединили фенилсодержащие соединения (дендроны) (рис. 3), от которых уже и пошло ветвление поколений. Методами ЯМР, хроматографии и масс-спектрометрии было показано, что почти все алкены реагируют со своими соседями в мицелле. При этом получается суперстабильная структура, что позволяет удалить из мицеллы порфириновую сердцевину, в результате чего образуется полость, нужная для проведения каталитических и других реакций.

Рис. 3. Схема, иллюстрирующая образование дендримера
Рис. 3.
Схема, иллюстрирующая образование дендримера

Удаление порфирина осуществляется путем расщепления эфирных связей (рис. 4). При этом образующаяся полость изнутри оказывается окаймлена восемью карбоксильными группами. Нечто подобное происходит в глубине протеиновых ферментных глобул.

Рис. 4.
Схема, иллюстрирующая образование полости

При попадании в такую полость субстрата в виде четырех молекул пиримидина (составная часть пиримидиновых оснований в полинуклеотидных цепях РНК и ДНК) возникают водородные связи с внутриполостными карбоксильными группами. Таким способом целенаправленно создаются контролируемые места связывания, о которых с давних пор мечтали биохимики, протеинщики и другие специалисты. Аналогичные полости могут использоваться и для катализа с заведомо контролируемыми параметрами.
Еще одной областью применения может стать доставка различных веществ, в том числе и лекарственных, в нужное место организма благодаря возможности окаймлять поверхности дендримеров теми или иными специфическими функциональными группами. Такие дендримеры будут связываться в организме только с теми клетками, на поверхности которых имеются специфические белковые рецепторы. Известно, что вирус иммунодефицита человека (ВИЧ) направляется к лимфоциту только после того, как с помощью своих поверхностных белков свяжется с особым рецептором на поверхности иммунной клетки. Если при содействии функционального белка, присоединенного к поверхности дендримера, связать этот рецептор, то клетка окажется защищенной от вторжения вируса.
То же самое можно сделать и с недавно претерпевшим мутацию вирусом, имеющим «корону» из поверхностных белков, защитив от вирусной инфекции клетки эпителия дыхательных путей и альвеол легких. В этом случае человек будет защищен (не исключено и излечение) от атипичной пневмонии.
Дендримерам же можно «поручить» переносить химиотерапевтические средства непосредственно в раковые клетки. При этом не будут травиться клетки здоровые, т. е. будет исключен один из самых тяжелых побочных эффектов сегодняшней химиотерапии раковых опухолей. Да много чего можно сделать полезного с помощью дендримеровых мицелл...
В одном из недавних номеров журнала Science опубликовано сообщение о создании дендримеров на основе полихлорэтилвинилэфира. Начинается синтез таких дендримеров с сердцевины в виде полистирола, который затем удаляется с образованием полости. Но в отличие от всех ранее созданных дендримеров при увеличении степени полимеризации стирола удалось получить не только полые шары, но и полые цилиндры! Исследователи надеются с помощью таких цилиндров создавать токопроводящие нанопроводники.

Материал подготовил
И.Э.ЛАЛАЯНЦ
(Nature, 2002, № 6871, p. 487, 509,
№ 6896, р. 375, 399, № 6913, р. 286;
Science, 2003, № 5610, р. 1210)

TopList