Chemijos ateitis: mokslą užkariauja sumaniosios medžiagos

„Kai kalbame apie sumanumą, galvojame, kad medžiagos turi pasižymėti tam tikromis reikiamomis savybėmis. Toks pavyzdys yra gamta, kurioje daugybė organinių medžiagų, bioorganinių medžiagų, biomolekulių. Žinoma, tos savybės išsivystė per ilgą evoliucijos laikotarpį. Dažnai chemikai galvoja, kaip reiktų pasinaudojant tuo, kas yra gamtoje, sukurti tam tikras medžiagas, kurios pasižymėtų ir tokiomis savybėmis, kurių kol kas gamtoje nėra“, – sako Lietuvos mokslo premijos laureatas chemikas prof. Eugenijus Butkus.

Chemija išsiskiria iš kitų mokslų tuo, kad pati sau kuria tyrimo objektą. Organinės chemijos specialistai sintetina naujas medžiagas, naudojamas fizikos, chemijos, biologijos, medicinos ir kitose srityse. Kaip tai daroma? Chemikai irgi stebi gamtą, ją mėgdžioja, o po to mėgina kai ką patobulinti. Pavyzdžiui, egzistuoja procesas, vadinamas savitvarka. Tai molekulių bruožas jungtis į tvarkingas struktūras. Tokias, kaip ląstelių membranos.

„Ląstelės membrana atlieka labai daug funkcijų, tačiau tos molekulės nėra susijusios tarpusavy jokiais cheminiais ryšiais. Jos tiesiog asocijuojasi, sąveikauja. Bet tos nedidelės sąveikos jėgos nulemia, kad membrana yra unikalus objektas“, – aiškina mokslininkas.

Iš karto mėgina planuoti reakcijas

Chemikai irgi kuria specialias molekules, sugebančias jungtis tarpusavyje. Tokie monomerai, papildyti įvairiomis reaktyviomis cheminėmis grupėmis, tirpale savaime susijungtų į didesnius agregatus. Ir ne šiaip į kokį nors gniužulą, bet suformuotų tvarkingas, tuščiavidures struktūras.

„Ir tuomet galime įsivaizduoti, kad tos molekulės galėtų pernešti vaisto molekulę į tam tikrą organizmo vietą. Tai vienas praktinis aspektas, kaip asociacijos pritaikymas gali būti panaudojamas praktiškai“, – laidai „Mokslo ekspresas“ teigia E. Butkus.

Mokslininkai yra sukūrę metodų, kaip nukreipti vaistą į konkrečią organizmo vietą, į sergantį organą. Iš aukso ar kitokių metalų nanodalelių suformuojamos supramolekulės, o jų viduje įterpiamos vaisto molekulės. Taip vaistai ir nukeliauja į reikiamą organizmo vietą.

„Kitas būdas – kai naudojant organines medžiagas, kurios sudaro didelius asociatus, į tokios struktūros vidurį įterpus mažesnės molekulinės masės vaisto molekulę, ji būtų pernešama į reikiamą vietą“, – pasakoja organinės chemijos specialistas.

Chemikai jau ne kartą sugebėjo pagerinti kai kuriuos gamtoje egzistuojančius procesus. Šiais laikais nebepakanka tik susintetinti junginį cheminėje laboratorijoje ir po to galvoti, kur jį pritaikyti. Dažniausiai iš karto mėginama taip planuoti reakcijas, kad naujas junginys pasižymėtų reikiamomis savybėmis.

Pasak E. Butkaus, chemikai, naudodami įvairius molekulių modeliavimo būdus ir savybių prognozavimo metodus, jau pasiekė labai daug: „Pvz., kuriant medžiagas, kurios pasižymi fotoliuminescencinėmis savybėmis. Tokių junginių nebuvo tarp gamtoje randamų medžiagų. Tos medžiagos, sužadinant jas tam tikro šviesos ilgio banga, generuoja spinduliuotę. Tai gali būti žymiai intensyvesnė arba kito bangos ilgio spinduliuotė, kurios reikia įvairiems prietaisams“.

Sintezė prasideda nuo kompiuterio

Per pastarąjį dešimtmetį organinėje sintezėje įvyko esminių pokyčių. Anksčiau reakcijos didelėse kolbose trukdavo valandų valandas, kaitinant indus su skysčiais aukštoje temperatūroje. Pastaraisiais metais procesai pasikeitė iš esmės.

„Medžiagos sintezuojamos labai nedideliais kiekiais, dažnai naudojami labai aktyvūs reagentai, reakcijos atliekamos -70 skysto azoto temperatūroje. Inertinėje atmosferoje. Pažiūrėjus, kaip chemikai vykdo reakcijas, tai panašu į išmanią laboratoriją“, – sako „Mokslo ekspreso“ pašnekovas.

XXI amžiuje į organinę sintezę atėjo tokie madingi terminai, kaip „molekulių dizainas“ arba molekulių konstravimas. Chemikai organikai remiasi teoriniais metodais, molekulių modeliavimu, jų savybių prognozavimu. Jie bendradarbiauja su matematikais, programuotojais. Tai iš esmės pakeitė darbą.

„Sumaniųjų molekulių sintezė prasideda nuo kompiuterio. Formuojama struktūra, žiūrima, kaip erdvėje išsidėstę tos molekulės elementai arba grupės. Ir tik tada bandoma rasti sintezės kelią, kuris leistų gauti vienokią ar kitokią molekulę“, – teigia profesorius.

Beje, išaugęs reakcijų tikslumas ir sugebėjimas nustatyti susintetintų molekulių savybes, jų formas, kartais priverčia perkainoti vertybes. Pavyzdžiui, paaiškėjo, jog kai kurių vaistų molekulės gydo ne tas ligas, kurioms gydyti jos buvo naudojamos prieš keliasdešimt metų.

„Buvo naudojamas raminantis vaistas „Talidomidas“. Jį vartojusių nėščiųjų kūdikiai gimdavo su baisiais apsigimimais. Mokslininkai tuo metu nežinojo, jog egzistuoja dvi molekulės izoformos, kurios yra viena kitos veidrodiniai atspindžiai. Tik po kurio laiko paaiškėjus, kad viena tų formų nėra pavojinga, visai neseniai JAV buvo leista vėl naudoti šį vaistą. Bet tik vieną gryną enantiomerą – tą molekulės formą, kuri nekenksminga“, – pasakoja mokslininkas.

Tarp siekių – naujų medžiagų taikymas medicinoje

VU chemikai – Lietuvos mokslo premijos laureatai profesoriai E. Butkus ir Saulius Tumkevičius – savo darbus prieš keliolika metų pradėjo nuo chiralinių molekulių sintezės. Tokios molekulės egzistuoja kaip viena kitos veidrodiniai atspindžiai. Chemikai siekė susintetinti tik vienos formos molekules, o vėliau iš jų sukonstruoti didžiulius kompleksus – supramolekules.

Anot E. Butkaus, „jos susijungia į didžiulius agregatus ir taip pamėgdžiojami procesai, kurie vyksta tarp gamtinių junginių. Pvz., buvo siekiama gauti spiralės formos supramolekules, nes tokios formos yra DNR ir RNR molekulės. Lygiai taip pat, pasinaudojant nesudėtingos struktūros junginiais, buvo siekiama atkartoti molekulių susivijimą į dvigubą spiralę“.

Lietuvos mokslo premijos laureatai dirbo trimis kryptimis. Jie kūrė sintezės metodus naujoms medžiagoms, sintezavo medžiagas, pasižyminčias tam tikromis biologinėmis ir fotofizikinėmis savybėmis bei tyrė tas savybes. Vienas svarbiausių siekių – šias naujas medžiagas taikyti medicinoje. Arba jų pagrindu kurti vaistus, bendradarbiaujant su Biochemijos instituto mokslininkais.

„[Pasitelkus] teorinius ir eksperimentinius metodus buvo ieškoma, kaip modifikuoti organines molekules, kurios geriau slopintų karboanhidrazes. Žmogaus organizme yra nemažai jų izoformų. Labai svarbu gauti atrankias molekules, kurios atskirą izoformą galėtų slopinti. Nes tų fermentų veiklos sutrikimas iššaukia įvairius negalavimus“, – aiškina Lietuvos mokslo premijos laureatas prof. S. Tumkevičius.

Tarp tokių ligų – glaukoma, osteoporozė, kraujo krešėjimo sutrikimai ir net nutukimo problemos. Mokslininkai susintetino molekules (heterociklinius sulfonamidus), sugebančias įsiskverbti į fermento aktyvųjį centrą ir ten, sąveikaujant su aminorūgštimis bei cinko jonu, keisti brokuoto fermento aktyvumą arba netgi jį visai nuslopinti.

„Kadangi šis fermentas turi daugiau kaip dešimt izoformų, kiekvienai rasti atitinkamą junginį yra gana sunku. Šiuo požiūriu mūsų susintetinti junginiai net 50 kartų atrankiau vieną ar kitą izoformą slopina“, – teigia S. Tumkevičius.

Visame pasauly didelis mėlynų spinduolių poreikis

Sukurtos molekulės vadinamos priešvaisčiais. Jų pagrindu gali būti kuriami vaistai, jas įvairiai modifikuojant. Kita darbų kryptis – fotofizikinėmis savybėmis pasižyminčių heterociklinių organinių medžiagų sintezė.

Pasak S. Tumkevičiaus, jos gali būti taikomos kaip žymekliai, molekuliniai jungikliai, taip pat organinėje optoelektronikoje: „Šiuo metu ten ypač didelis tokių medžiagų poreikis. Tokios medžiagos pasižymi stipria mėlynos šviesos fluorescencija. Žinome, kad trys spalvos yra svarbios tiems prietaisams. Poreikis tokių medžiagų, kaip mėlyni spinduoliai, yra didelis visame pasaulyje“.

Kaip žinia, sumaniosios medžiagos dėl įvairių išorės veiksnių sugeba keistis. Šiuo atveju nuo elektros impulso jos pradeda švytėti. Mokslininkai rado ir tokių medžiagų, kurios ima švytėti, susijungusios į nanoagregatus. Vadinasi, jos gali būti naudojamos kaip jutikliai. Taip pat ir organinėje optoelektronikoje. Galima įsivaizduoti, kad tokiu būdu koks nors prietaisas veiks dieną, o vakarop automatiškai išsijungs.

„Kai kurios susintetintos medžiagos savo savybes keičia ir nuo rūgštingumo. Ir tas biologiniuose tyrimuose gana svarbu, nes ląstelėje vykstant pokyčiams, keičiasi ir terpės pH. Ir ta skalė gali būti naudojama tyrimams, kaip pasiskirsto vaistiniai preparatai ląstelėse“, – „Mokslo ekspresui“ pasakoja organinės chemijos specialistas.

Tokiu būdu galima diagnozuoti labai nedidelius, bet esminius pokyčius ląstelėje. Pavyzdžiui, auglio formavimąsi, kuomet toje vietoje šiek tiek pasikeičia terpės rūgštingumas. Šios sumanios medžiagos – efektyvi ir jautri ankstyvo įspėjimo sistema, aliarmas. Tarsi žąsys, kurios kaip byloja legenda, antikos laikais išgelbėjo Romą.

„Mums labai svarbi taikymo sritis pačioje chemijoje. Tai sintezės metodai, kuriuos mes sukūrėme. Kaip ir kiekvienas žmogus, taip ir mokslininkai stengiasi surasti kuo efektyvesnį sintezės metodą. Ir tas naudinga patiems chemikams“, – tvirtina S. Tumkevičius.

Rolandas Maskoliūnas, LRT Televizijos laida „Mokslo ekspresas“