Ученые СПбГУ синтезировали новые реагенты, которые позволяют наблюдать за протекающими в организме процессами в режиме реального времени

Химики и биологи Санкт-Петербургского государственного университета (СПбГУ) разработали новые реагенты на основе гетероциклоалкинов, которые позволяют надежно и безопасно присоединять флуоресцентные метки к биомолекулам. Созданные вещества помогут визуализировать процессы, протекающие в клетках и тканях живых организмов, и изучать их динамику в режиме реального времени. 

Сегодня ученые имеют возможность исследовать состав и изменение живых клеток с помощью флуоресцентного биоимиджинга. Это метод, при котором интересующие исследователя молекулы организма, например, белки или ДНК, «подсвечиваются» флуоресцентными красителями и под воздействием света определенной длины волны становятся видимыми для скрининговых систем.

Чтобы биоимиджинг был успешным, необходимо надежно «сшить» флуоресцентные метки и выбранные молекулы. Для этого используют специальные химические реакции. На рынке уже существует несколько видов реагентов на основе циклоалкинов — молекул, имеющих замкнутый цикл из атомов углерода с тройной углерод-углеродной связью внутри цикла. Однако ученым СПбГУ под руководством доктора химических наук, директора Института химии Ирины Баловой удалось синтезировать принципиально новые реагенты. Они отличаются легкодоступностью и устойчивостью к окружающей среде и другим реагентам.

Работа над веществами проходила в несколько этапов. Вначале исследователи создали специальный синтетический метод для получения циклоалкинов. Он позволил легко сконструировать и синтезировать серию молекул с разным размером цикла (от восьми до десяти атомов) и специальными структурными элементами — гетероциклическим кольцом и гетероатомом (любым атомом кроме углерода или водорода) в циклоалкине. Эти элементы были важны для регулировки баланса между активностью в SPAAC (биортогональная клик-реакция, то есть реакция, которая способна протекать в живых клетках, но при этом не вредит им и сама не подвержена влиянию со стороны живых систем) и стабильностью.

Следом химики СПбГУ изучили реакционную способность и устойчивость синтезированных соединений с помощью кинетических исследований и квантовых химических расчетов. 

По словам кандидата химических наук, доцента кафедры органической химии СПбГУ Натальи Данилкиной, эксперименты и расчеты помогли выявить неклассическую реакционную способность соединений с циклами из девяти атомов. 

На основе этих данных ученые установили, что гетероцикл-содержащие гетероциклоалкины из девяти атомов (циклононины) — самая подходящая группа реагентов для SPAAC. У этих соединений наблюдается наилучший баланс между стабильностью и реакционной способностью. 

На последнем этапе исследователи СПбГУ разработали метод присоединения флуоресцентных красителей к новой группе реагентов и провели эксперименты по введению получившихся соединений в биомолекулы раковых клеток. Исследования проходили в лаборатории биомедицинской химии СПбГУ. Эксперименты подтвердили эффективность циклоалкинов с девятичленным циклом для SPAAC. Как сообщила Наталья Данилкина, ученые СПбГУ уже могут использовать новые реагенты для проведения исследований по различным направлениям. 

В настоящее время научная группа работает над усовершенствованием полученных веществ. В дальнейшем исследователи планируют запатентовать разработку.

«Сейчас для того чтобы в клетке прошла реакция с использованием наших реагентов, требуется восемь часов. Мы стремимся довести эту реакционную способность до 15 минут. Проверяем все возможные варианты структур с улучшенной реакционной способностью при сохранении стабильности. Ищем наиболее эффективную молекулу. Также подбираем оптимальные пути связывания реагентов с флуоресцентными красителями и другими группами», — заключает Наталья Данилкина. 

«Наша работа полностью отвечает приоритетным направлениям Программы научно-технологического развития Российской Федерации и Программы развития СПбГУ, которые связаны с переходом к персонализированной медицине и высокотехнологичному здравоохранению. Молекулы, которые мы придумываем и синтезируем, являются молекулярными инструментами для биологов и медиков. Они позволяют им исследовать молекулярные механизмы заболеваний и находить эффективные методы их лечения», — отметила руководитель исследовательской группы, профессор Ирина Балова.

Работы по изучению соединений проводились на базе Научного парка СПбГУ: в Вычислительном центре, а также в ресурсных центрах «Методы анализа состава вещества», «Магнитно-резонансные методы исследования» и «Рентгенодифракционные методы исследования». Исследование было поддержано грантом Российского фонда фундаментальных исследований и грантами Российского научного фонда. Результаты работы также опубликованы в Journal of the American Chemical Society.