Фуллерены — время больших ожиданий

В Харькове в городском саду несколько лет назад на радость фанатам команды «Металлист» был сооружен памятник футбольному мячу. Но он может с равным правом претендовать на памятник фуллерену С60 — веществу, которое было впервые синтезировано в 1985 году. Это третья после графита и алмаза форма чистого углерода. Ее молекулу можно представить как сферический многогранник, составленный из 20 шестиугольников и 12 пятиугольников, с атомами углерода в каждой из его 60 вершин. По сути, это модель футбольного мяча, уменьшенного примерно в миллиард раз.

Удивительное сходство этих двух объектов из макро- и наномира отрицать невозможно. Недаром в некоторых ранних работах ученые использовали термин «футболен». Кстати сказать, свое нынешнее название фуллерен получил из-за сходства с еще одним макрообъектом. Это павильон, который был построен в 1959 году для Американской выставки в Москве известным американским архитектором, инженером и изобретателем Ричардом Бакминстером Фуллером. Его каркас представлял собой полусферу, составленную из металлических многоугольников.

Правда, впоследствии были открыты и другие фуллерены, которые уже не совсем походили на футбольный мяч, — начиная с многогранника из 20 атомов углерода и заканчивая шарами, содержащими сотни таких атомов. Однако наноблизнец футбольного мяча и поныне считается особым представителем этого семейства, поскольку является одной из его наиболее устойчивых сферических модификаций.

Загадки двуликого Януса

Теоретически возможность существования фуллерена была предсказана японцем Осавой и подтверждена расчетами российских химиков за много лет до его открытия. Однако Нобелевской премии по химии в 1996 году были удостоены ученые из США и Великобритании — Роберт Керл, сэр Харольд Крото и Ричард Смоли, — которым впервые удалось обнаружить такую форму углерода во время лазерного испарения графита в атмосфере гелия. Открытие этой молекулы величиной в один нанометр, то есть в одну миллиардную долю метра, было признано одним из самых важных событий в науке XX столетия. В приветственной речи Нобелевского комитета это открытие по значимости сравнивалось с открытием Америки Колумбом.

Фуллерен — удивительная молекула. Природа создала его двуликим Янусом. В нем, например, гармонично объединились вакуум и материя — две основы мироздания. Если заглянуть внутрь этого необычного шарика, то можно обнаружить пустоту, пронизанную электромагнитными полями. Фуллерен является своего рода связующим звеном между органической и неорганической материей. В частности, его геометрическая форма имеет удивительное сходство с важнейшими биологическими структурами живых организмов — фрагментами молекулы ДНК, третичной структурой белков, вирусами и так далее. Если к этому добавить способность фуллерена, в отличие от графита и алмаза, растворяться в органических растворителях и образовывать множество новых соединений с разными элементами, то становится понятно, почему от него стали ожидать чудес.

Как только были разработаны простые способы получения углеродных молекул, в научном мире начался «фуллереновый бум». Специалисты предрекали, что фуллереновые «мячики», а также открытые позже углеродные нанотрубки и нанолуковицы откроют возможности получения совершенно невероятных электрических, механических, оптических, магнитных, биохимических и прочих эффектов, которые можно использовать в самых разных областях науки, техники и медицины. В развитых странах было налажено производство фуллеренов и углеродных наноматериалов на их основе, созданы специализированные исследовательские фирмы, открыты научно-технические программы. Появились новые научные дисциплины — фуллереноведение и наука о наноуглеродных материалах. Несколько небольших групп исследователей работает и в Украине, в том числе в Харькове.

Исследуя фуллерены, специалисты предположили, что они могут образовываться и в естественных условиях — повсюду, где есть углерод и высокие энергии. Например, вблизи углеродных звезд, в межзвездном пространстве и даже на Земле — в местах попадания молний или вблизи кратеров вулканов. Могут они попадать на нашу планету и из космоса с метеоритным веществом. Действительно в 1992 году природные аналоги фуллеренов были обнаружены российскими учеными в Карелии. Здесь вблизи Онежского озера залегают уникальные минеральные породы, именуемые шунгитами, возраст которых составляет около двух миллиардов лет. Шунгиты содержат до 90% чистого углерода, в том числе примерно одну сотую долю процента в виде фуллерена. Возможно, происхождение этого минерала как раз и объясняется падением большого углеродного метеорита.

Здесь с незапамятных времен существует целебный источник, вблизи которого Петр I построил первый в России курорт «Марциальные воды». Сотни лет люди пользовались чудесным родником, протекавшим сквозь шунгитовые породы, для избавления от своих хворей, не зная причину его лечебных свойств. Однако его воду нельзя разлить в бутылки и использовать по мере надобности — уже через несколько часов она теряет свою целебность. Чем объяснить недолговечность целебных свойств Марциальных вод?

Если кто-то и может ответить на этот вопрос, то это сотрудники НТК «Институт монокристаллов» НАН Украины. В 1999 году харьковские ученые исследовали образцы шунгита, переданные им специалистами Карельского научного центра. Они подтвердили наличие фуллеренов в этих породах, затем не только воспроизвели Марциальную воду в своей лаборатории, но и первыми в мире разработали метод получения водных растворов чистых фуллеренов — FWS. Сейчас харьковчане признанные в мире специалисты в области изучения систем «фуллерены-вода» и исследований взаимодействия фуллеренов с биологическими объектами — биомолекулами, клетками и живыми организмами.

Живая вода

— Каким образом вы получаете водный раствор фуллеренов? — спрашиваю у руководителя работ, кандидата химических наук Г.Андриевского.

— Давайте сначала вспомним, что представляет собой обычная вода. Это система, которая состоит из свободных и упорядоченных молекул, — рассказывает Григорий Владимирович. — Часть упорядоченных молекул воды представляет собой так называемые мерцающие кластеры — сферические образования, подобные тем структурам воды, которые присущи живому организму. Кластеры определяют биологическую активность воды и ее целебность, однако живут очень непродолжительное время — миллиардные доли секунды. Они то распадаются, то появляются вновь, за что и получили название мерцающих.

А теперь о нашем методе получения чистого раствора фуллерена, который запатентован в Украине и России. Растворив фуллерен в органическом соединении, мы добавляем полученный раствор в воду и в специальных условиях обрабатываем эту смесь ультразвуком. При этом отдельные молекулы фуллерена мгновенно «меняют кожу» — они сбрасывают оболочку из органического растворителя и окутываются прочной водной оболочкой, превращаясь в гидратированный фуллерен — HyFn. При этом каждый «футбольный мячик» формирует и удерживает вокруг себя упорядоченный водный кластер, поперечные размеры которого в десятки раз больше, чем у него самого. Такие кластеры перестают быть мерцающими и превращаются в стабильные образования, которые могут существовать неограниченно долго.

— Если сама молекула фуллерена С₆₀ является подобием футбольного мяча, то как она выглядит в водной оболочке?

— Это водное образование, в центре которого находится молекула размером в один нанометр, а вокруг нее — структурированная, упорядоченная вода, простирающаяся во все стороны на расстояние в 20—80 нанометров. Фуллерен в какой-то мере можно сравнить с планетой, которая удерживает в поле своего тяготения множество определенным образом расположенных спутников. Эта модель была построена на основании совокупного анализа физико-химических и биологических свойств гидратированных фуллеренов, которые были получены украинскими учеными с привлечением специалистов из России, США, Японии, Франции, Венгрии, Молдовы. Такие фуллерены в оболочке — гармоничный симбиоз углеродных и водных структур — могут объединяться в большие шаровидные образования, водные кластеры высшего порядка.

— Американские ученые публиковали сообщения об исключительно высокой токсичности фуллеренов. По их наблюдениям, у рыб, которые плавали в воде с добавками фуллеренов, происходили отрицательные изменения в мозге, а клетки человеческой кожи при контакте с раствором и вовсе погибали.

— Нам постоянно приходится отстаивать «доброе имя» фуллеренов, в том числе и на 8-й Международной конференции «Фуллерены и атомные кластеры», которая состоялась в 2007 году в Санкт-Петербурге. Харьковские ученые более десяти лет работают с водными растворами фуллеренов и не замечали их вредного влияния, в том числе на кожу. Мы предположили, а затем наш вывод был подтвержден самими американцами, что их ошибка заключалась в методе приготовления водных растворов фуллеренов, при котором использовались ядовитые вещества. Именно остатки токсинов, а не фуллерены приводили к поражению мозга рыб и другим негативным эффектам. Сама молекула фуллерена в гидратированной форме не токсична, более того, HyFn вообще не распознается живым организмом как чужеродное вещество.

— Каковы главные механизмы биологического действия растворов HyFn?

— Хочу подчеркнуть, что сама молекула гидратированного фуллерена не обладает сколько-нибудь выраженной биологической активностью. Она только структурирует воду, делает ее сходной с той живой водой, из которой на 80% состоит наш организм, и удерживает ее неограниченно долго в таком состоянии.

Водные растворы фуллерена обнаруживают широчайший спектр полезных свойств. Например, они обладают более высокой антиоксидантной активностью, чем такие признанные антиоксиданты, как витамины Е, А, каратиноиды и пр. Как известно, практически любое заболевание связано с процессами воспаления, которые сопровождаются избыточным образованием в организме свободных радикалов. Их накопление порождает целую лавину отрицательных биохимических процессов. Такое состояние называется оксидантным стрессом.

Попадая в живой организм, раствор гидратированного фуллерена заставляет избыточные свободные радикалы, в частности агрессивные формы кислорода и продукты окисления биомолекул, самоуничтожаться. При этом он не затрагивает того минимума свободных радикалов, который жизненно важен для нормального функционирования наших биологических систем. Другими словами, он только регулирует их количество и тем самым дает организму возможность мобилизовать собственные защитные функции для противостояния различным болезням.

Не панацея, а корректор

В сотрудничестве со специалистами различных исследовательских организаций харьковские ученые подтвердили эти свойства растворов HyFn на практике. Они проводили биологические испытания при различных патологиях у лабораторных животных — практически всегда наблюдались положительные биологические эффекты.

В качестве примера можно привести работы, проведенные в лабораториях НИИ экспериментальной диагностики и терапии Российского научного онкологического центра, которыми руководит профессор Буренин. У лабораторных животных на 30—70% замедлялся рост опухолей, продлевалась жизнь. Опыты ученых из Института терапии АМНУ в Харькове и Днепропетровского национального университета показали, что растворы HyFn являются высокоэффективными протекторами при терапии и профилактике различных патологий печени и мозга. Интересный результат получен в сотрудничестве с киевскими и днепропетровскими специалистами, обнаружившими высокую эффективность использования растворов для борьбы с образованием тромбов в кровеносных сосудах, что важно, например, при лечении инсультов, тромбозов и т.п.

В настоящее время российские исследователи совместного с коллегами из Бостонского университета изучают антиаллергические свойства HyFn. В Пущино (Россия) проводятся эксперименты по поводу болезни Альцгеймера и других заболеваний нервных тканей. А ученые из Фиратского университета (Турция) исследуют возможность защиты с помощью HyFn потомства беременных животных с диабетической патологией. Более чем десятилетнее сотрудничество специалистов Украины с коллегами из ближнего и дальнего зарубежья показало, что водные растворы фуллеренов могут быть эффективны также при атеросклерозе, болезнях желудка, желчного и мочевого пузыря, поджелудочной железы, при ожогах. Они уменьшают период восстановления организма после хирургических вмешательств, эффективны при ЛОР-заболеваниях, обладают положительным влиянием на репродуктивные функции человека, эффективны при синдроме хронической усталости и так далее.

— Хочу подчеркнуть, — говорит Григорий Андриевский, — что водный раствор фуллерена не является панацеей, хотя проявляет достаточно универсальную положительную биологическую активность, оказывает нормализующее, общезащитное действие.

Харьковские ученые рассматривают растворы HyFn в качестве прототипов нового класса фармацевтических препаратов для терапии различных патологических состояний. Они разработали стандартные методики получения водных растворов фуллеренов, а также ориентировочные схемы и дозировки при их использовании в качестве лекарственных препаратов, гомеопатических средств, а также биологически активных добавок, композитов и косметических ингредиентов.

На научные работы харьковчан обратили внимание первооткрыватели фуллерена. Так, президент и профессор японского Института по исследованиям наноуглерода Е.Осава в докладе на Международном форуме по нанотехнологиям отметил уникальный характер разработок водных растворов фуллеренов, которые являются, по его мнению, прорывными в области фуллереновых наук. А Нобелевский лауреат сэр Гарольд Крото в своем письме харьковским ученым отметил: «Большое спасибо за очень интересные статьи по водорастворимости фуллеренов, которые вы мне прислали. Похоже, это очень важное достижение, в частности, с точки зрения фармацевтики. Я надеюсь, это окажется большим шагом вперед».

* * *

…Практически во всех теориях возникновения жизни из косной материи названы несколько главных факторов, без которых это событие не могло бы состояться. Среди них — концентрирование простых молекул вблизи активных центров, в которых происходят реакции, усложнение образующихся органических молекул до первичных упорядоченных структур, образование структур высокого порядка, а затем и самовоспроизводящихся систем.

В экспериментах ученые доказали, что при воссоздании условий, которые существовали на Земле в предбиологический период, образование аминокислот и некоторых нуклеиновых оснований вполне возможно. Однако дальше этого дело не шло. Требовалось присутствие некой Матрицы, которая могла бы обеспечивать синтез и наработку более сложных молекул из простейших вплоть до образования форм углеродной жизни и в то же время препятствовать распаду тех молекул, которые синтезировались в ее присутствии.

По мнению харьковских ученых, к этой роли подходит только водно-фуллереновая система, скорее всего, на основе главного и самого устойчивого представителя семейства фуллеренов С₆₀, который обладает всеми необходимыми свойствами. А именно — постоянным составом, высокой симметрией, взаимодействием с водой, умением создавать вокруг себя симметричное окружение из других молекул, концентрировать вблизи своей поверхности активные радикалы и способствовать их нейтрализации с образованием сложных органических молекул.

Возможно, фуллерены и фуллереноподобные структуры в комплексе с водой и были той первичной матрицей, благодаря которой на нашей Земле появилась жизнь? Ученые не исключают также, что ее зарождение не является первичным и единственным в своем роде актом, возможно, этот процесс происходит непрерывно и каким-то образом влияет на развитие жизни и образование ее новых форм.