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

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

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

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)