День: 13.03.2023

Химики Тольяттинского государственного университета (ТГУ) разработали новые методы синтеза молекул, обладающих свойствами селективных флуоресцентных зондов. Такие зонды, в частности, применяются для изучения биохимических процессов в медицине. Результаты этой работы опубликованы в высокорейтинговом журнале Королевского химического общества Великобритании.

Исследования ученых по созданию новых материалов для органической химии поддерживает Российский научный фонд (РНФ). Проект доктора химических наук Александра Голованова выиграл грант, превышающий 21 млн рублей, на срок три года. Вот уже год химики ТГУ ищут способы получения новых веществ, в которых сейчас остро нуждаются современная медицина и электроника.

«За прошедший год нам удалось разработать методы синтеза новых молекул, обладающих свойствами селективных флуоресцентных зондов. Такие молекулы могут связываться с ионами различных металлов (например, ртути, свинца, кадмия), а образующиеся при этом металлокомплексы обладают флуоресценцией (способностью светиться. — Прим. ред.), — говорит Александр Голованов. — Уникальность полученных молекул заключается в избирательном связывании (комплексобразовании) с теми или другими ионами при их (ионов) совместном присутствии. Селективность связывания определяется небольшими изменениями структуры зондов. Это позволяет обнаружить и определить концентрацию металлов в самых различных объектах — например, в биологических при их токсикологической экспертизе. Это главный прикладной аспект проекта. Подчеркну, что селективностью связывания можно управлять, слегка меняя структуру молекулы. Зондов подобного типа известно немного».

Флуоресцентные зонды — это вещества, изменяющие флуоресценцию, когда к ним присоединяется определенная молекула. С их помощью можно детально исследовать химический состав живых клеток и даже организмов, а также их изменения во времени и пространстве. Простота и экономичность флуоресцентных методов делает их незаменимыми в решении задач экологического контроля, физико-химического анализа, клинической диагностики. В частности, с помощью флуоресцентных зондов можно прогнозировать развитие заболеваний, выявлять факторы риска, контролировать эффективность терапии.

Сейчас флуоресцентный анализ — одно из наиболее перспективных направлений, двигающее за собой не только академическую, но и прикладную науку во всем мире. Светящиеся белковые молекулы позволяют исследователям заглянуть в самые укромные уголки человеческого организма, при этом, не причиняя ему никакого вреда. Ученые уже научились использовать эффект флуоресценции для генетических исследований, «подсвечивая» хромосомные наборы, применять щадящие (неинвазивные) методы в области трансплантологии (отслеживая реакцию организма на пересадку органа или ткани), а также лечения онкологических заболеваний, когда светящаяся молекула лекарственного вещества под контролем врачей попадает прямо в цель.

Исследователям ТГУ принадлежит идея применить синтезированные ими молекулы для контроля содержания некоторых примесей в магниевых сплавах. В научно-исследовательском институте прогрессивных технологий (НИИПТ) ТГУ разрабатывают технологии получения таких сплавов для изготовления медицинских изделий, в том числе биорезорбируемых имплантатов.

В научную группу Александра Голованова, работающую над проектом, входят сотрудники НИИПТ ТГУ Иван Один и Дмитрий Гусев (именно он обнаружил явление селективного комплексообразования), аспиранты Сергей Соков и Радик Итахунов.

«В текущей лабораторной работе в ТГУ нам постоянно помогает инженер НИЛ-13 ТГУ Ираида Савина. Без ее знаний и умений было бы гораздо сложнее справляться с огромным объемом экспериментов, — подчеркивает Александр Голованов. — Важную часть проекта, касающуюся измерения фотофизических характеристик полученных веществ, выполняют ученые из университета ИТМО Анастасия Пивень и Дарья Дармороз под руководством Татьяны Орловой. Также мы взаимодействуем со Станиславом Грабовским из Уфимского института химии, коллегами из Санкт-Петербургского НИИ гигиены, профпатологии и экологии человека».

Полученные за год совместной группой ученых научные результаты высоко оценили эксперты РНФ, утвердив дальнейшее финансирование проекта.

«Теперь начинается второй этап. Нужно внимательно и всесторонне исследовать комплексообразование ионов металлов с синтезированными флуоресцентными зондами. Для внедрения этих соединений в аналитическую практику необходимо множество количественных характеристик, — рассказал Александр Голованов. — Скрининг соединений (а зондов и металлов довольно много) позволит отсечь ненужное и составить «соединения-лидеры». Уверен, что второй год проекта принесет нам немало интересного и полезного».

Разработанные методы синтеза и свойства полученных флуоресцентных зондов ученые описали в статье, которая опубликована в Organic Biomolecular Chemistry — журнале, издаваемом Королевским химическим обществом Великобритании (RSC). Еженедельный рецензируемый научный журнал публикует только оригинальные и важные исследования и обзоры, демонстрирующие значительный прогресс и существенно влияющие на органическую химию в целом.

В истории Самарской области есть интересный факт: однажды крестьяне написали губернатору жалобу на помещика за то, что тот заставлял их сажать лес, вместо того, чтобы растить хлеб. Благо губернатор был человек просвещенный и, возможно, знакомый с трудами геолога и почвоведа Василия Докучаева, потому никаких санкций и разбирательств по челобитной не последовало. Эту историю рассказал профессор Самарского государственного аграрного университета, доктор сельскохозяйственных наук Василий Троц, который сейчас пишет новую страницу в развитии системы лесомелиорации.

Василий Борисович с удовольствием вводит в курс дела — в ХIХ веке люди, переселявшиеся на эти земли, были потрясены плодородием. На берегах Волги давались вотчины дворянам и активно развивалось сельское хозяйство. Урожайность при этом была неустойчивой — как и сейчас здесь, за Волгой, и тогда чередовались засушливые и благоприятные годы.

Известный писатель и чиновник Сергей Аксаков (1791-1859), чье имение было под Бугурусланом, обратил внимание на то, что лес хорошо защищает от засухи. «Те массивы и луга, которые защищены лесом, отличаются более высокой продуктивностью», — писал он. Для борьбы с засухой и суховеями помещики братья Самарины, имевшие земли в нынешних Хворостянском и Приволжском районах, в 1860-80 гг. начали высаживать сосны, создавая полезащитные полосы. Сейчас и в Бугурусланском районе можно найти насаждения, которые были заложены на хуторе Ружейном родственниками историка и литератора Николая Карамзина.

Так начиналась история полезащитных полос в Самарской области. Она получила своеобразное благословение ученого с мировым именем Василия Васильевича Докучаева, который в 1895 году обследовал местные черноземы, проехав от Самары до Бугуруслана. Ученые пришли к пониманию — для того, чтобы получать стабильно зерно и уменьшить влияние засухи в Заволжье, нужно создавать лесные полосы. Докучаев доложил Вольному экономическому обществу о том, что ситуация с землей в этих местах просто потрясающая: чернозем очень плодородный до 12% гумуса (в настоящее время, увы, только 4,2%), но засушливый… Тогда сюда направили известного лесовода Нестора Карловича Генка.

Сейчас благодаря трудам сотен энтузиастов и ученых всем известно, что лесные полосы позволяют сберегать не только влагу в почве, но и ее плодородие, предотвращая ветровую эрозию почв — одну из главных проблем агроклиматической зоны, в которой находится регион.

В советское время лесополосы высаживались в области сотнями километров по единым планам и нормативам. Однако в 1990-е годы ситуация по понятным причинам изменилась. Сейчас тема лесомелиорации стала актуальной как никогда — долгие годы ею никто не занимался, а многие существующие лесополосы деградировали настолько, что давно не выполняют своих функций. Кроме того, изменился и климат, накопился опыт эксплуатации лесополос из различных пород деревьев.

Сегодня основной проблемой хозяйств южной зоны Самарской области, особенно тех, что работают по интенсивным технологиям, является ускоренная деградация почв в результате сильной ветровой эрозии, повышения концентраций вредных солей в пахотном горизонте, вымывания кальция в подпочвенный горизонт. Причем данные процессы протекают стремительно и необратимо. Без принятия мер по устранению вышеназванных причин сельхозтоваропроизводители могут потерять основное средство производства — почву — в течение 5-10 лет.

Работу по формированию единого научно-технологического подхода к лесомелиорации в регионе ведет группа сотрудников аграрного университета под руководством Василия Троца. Ученые анализируют множество параметров различных пород деревьев и кустарников — требовательность к влажности и pH почвы, приживаемость, скорость прироста, способность рассеивать ветер, а также высчитывают оптимальные схемы посадки и сочетания пород.

Из того, что уже перешло от расчетов в практическую плоскость, — в 2022 году сотрудники агроуниверситета разработали научно обоснованное решение по созданию системы лесозащиты для крестьянско-фермерского хозяйства Евгения Цирулева. Сконструированы расположение полезащитных полос площадью 58 га, подобран их оптимальный состав — черный тополь и повислая береза. Он рассчитан на срок жизни лесополосы не менее 100 лет. Уже высажено 11 км первой посадки.

При расчетах ученые пришли к выводу, что, несмотря на вложения в 6 млн рублей, которых потребует реализация проекта, затраты окупятся уже через два года за счет существенного повышения урожайности полей.

Первая практическая проблема, с которой столкнулись ученые и производственники, — отсутствие необходимого объема посадочного материала, причем адаптированного к местным условиям. На базе КФХ Е. Цирулева в Приволжском районе было разбито два питомника, которые сегодня полностью закрывают имеющиеся потребности по районированным к конкретным условиям саженцам деревьев. В этом году предстоит высадить более 80 тыс. саженцев черного тополя, это порядка 18 га, при пятирядном размещении — 6 км лесных полос.

Работа аграрного университета по восстановлению полезащитных полос в регионе имеет и еще одну сторону — она играет важную роль в переходе к сельскохозяйственному производству с меньшим выбросом углерода. Полезащитные полосы — одна из частей лесомелиоративной программы по депонированию углерода, которая максимально актуальна на фоне мировой тенденции к необходимости снижения выбросов углерода.