Около 10 лет назад ученые лаборатории химии биоконъюгатов Института физико-органической химии НАН Беларуси начали искать новые методы борьбы с нежелательными процессами окисления в организме с целью минимизации их последствий. За синтез модифицированных дейтерием биомолекул, обладающих эффектом замедления патологических процессов в организме, коллектив Вадима Шманая отмечен в ТОП-10 НАН Беларуси.

 

Химики показали, что усиление биомолекул дейтерием носит универсальный характер, подтвердив это на примере аминокислот, нуклеиновых и полиненасыщенных жирных кислот.

 

Ученые сделали ставку на защиту «слабых» мест биомолекул, используя кинетический изотопный эффект. Он реализуется при замене атомов водорода на дейтерий в определенных сайтах биомолекул, проявляющих неустойчивость к окислению из-за более слабых связей углерод-водород. В борьбе с окислением молекул дейтерий оказался более стойким к атакам свободных радикалов. Образно говоря, обычные нитки, которыми атомы в молекулах сшиты друг с другом, заменили более прочными. В синтезированных молекулах линолевой и линоленовой кислот наблюдался эффект значительного замедления перекисного окисления, продукты которого могут вызывать патологии. Полученные соединения оказались перспективны для создания нового поколения лекарственных средств, защищающих клетки организма от действия свободных радикалов. Ученые передали синтезированные молекулы коллегам-биологам из США, которые подтвердили эффект, проведя испытания сначала на клетках, а затем на животных. За 7 лет разработка прошла путь от идеи до полупромышленного производства усиленной дейтерием линолевой кислоты и успешных клинических испытаний ее на пациентах, страдающих атаксией Фридрейха – тяжелейшего нейродегенеративного заболевания, от которого не было найдено эффективных лекарственных препаратов.

 

Параллельно в Беларуси продолжались поисковые работы по углубленному изучению дейтеросодержащих биомолекул, в том числе для выяснения специфичности эффекта. После успехов с линолевой кислотой было высказано предположение, что кинетический изотопный эффект можно применить для защиты других полиненасыщенных жирных кислот, в том числе одной из важнейших – арахидоновой, которая является предшественником большого количества биорегуляторов, влияющих на воспалительные процессы. Для понимания протекающих в организме процессов и поиска путей их регулирования были синтезированы все 7 возможных изомеров дейтерированной в бис-аллильных положениях арахидоновой кислоты. Первые биохимические эксперименты подтвердили, что идея работает. Далее предстоят масштабные молекулярно-биологические и биомедицинские исследования для создания новых противовоспалительных препаратов, и не только.

 

Ученые решили пойти дальше и проверить, не будет ли дейтерий также замедлять другие нежелательные реакции в молекулах других классов, как он замедляет окисление липидов. Зная, какие связи в молекулах наиболее подвержены нежелательным процессам, они расширили свой эксперимент и синтезировали молекулы различной природы, в которых слабые углерод-водородные связи заменили более прочными – углерод-дейтериевыми – там, где это нужнее всего. Эффект оказался ошеломляющим: куда бы ни вставляли дейтерий, он везде замедлял нежелательные реакции. В результате в течение 2016 года свет увидели три фундаментальные научные публикации.

 

Вторым объектом изучения после арахидоновой кислоты стали аминокислоты, которые могут существовать в виде 2 зеркальных природных L-изомеров и неприродных D-изомеров. При определенных условиях часть L-изомера может превращаться во вредный D-изомер. Этот процесс называется рацемизацией, которая приводит к изменению структуры и потере свойств белковых молекул. В стареющем организме это явление проявляется при старении белков, которые долго не заменяются на «свежие», например зубной эмали, хрусталика глаза, эритроцитов. Химики попытались укрепить с помощью дейтерия те химические связи в молекуле L-аспарагина, которые участвуют в рацемизации. Ожидания оправдались, и успех был подтвержден в биологических экспериментах.

 

Свои лучшие качества защитника клетки дейтерий показал также на нуклеиновых кислотах. Задумка ученых заключалась в том, чтобы научиться регулировать процесс метилирования ДНК, которое в ряде случаев может быть вредным для клетки. Химики в очередной раз предоставили синтезированные молекулы биологам, и снова успешно! Однако исследование продолжается, в течение года-двух будем ждать новых результатов.

 

Авторский коллектив в составе Е.Улащика, М.Фомича, О.Шарко, И.Лысенко, Н.Пупейко и В.Шманая отмечает значительный вклад в теоретическую и практическую части исследования сотрудников кафедры органической химии химического факультета БГУ А.Бекиша и Д.Шклярука.