Фулерени — час великих сподівань

У Харкові в міському саду кілька років тому на радість фанатам команди «Металіст» було споруджено пам’ятник футбольному м’ячу. Але він може з рівним правом претендувати на пам’ятник фулерену С60 — речовині, яка була вперше синтезована 1985 року. Це третя після графіту і алмазу форма чистого вуглецю. Її молекулу можна уявити як сферичний багатогранник, складений із 20 шестикутників і 12 п’ятикутників, з атомами вуглецю в кожній із його 60 вершин. По суті, це модель футбольного м’яча, зменшеного приблизно в мільярд разів.

Надзвичайну подібність цих двох об’єктів із макро- і наносвіту заперечити неможливо. Недарма в деяких ранніх роботах учені використовували термін «футбольний». До речі сказати, свою нинішню назву фулерен дістав через подібність із ще одним макрооб’єктом. Це павільйон, який був побудований у 1959 році для Американської виставки в Москві відомим американським архітектором, інженером і винахідником Річардом Бакмінстером Фуллером. Його каркас являв собою півсферу, складену з металевих багатокутників.

Щоправда, згодом були відкриті й інші фулерени, які вже зовсім не були схожі на футбольний м’яч, — починаючи з багатогранника з 20 атомів вуглецю і закінчуючи кулями, які містять сотні таких атомів. Проте наноблизнюк футбольного м’яча нині вважається особливим представником цього сімейства, оскільки є однією з його найбільш стійких сферичних модифікацій.

Загадки дволикого Януса

Теоретично можливість існування фулерену була передбачена японцем Осавою і підтверджена розрахунками російських хіміків за багато років до його відкриття. Проте Нобелівської премії з хімії в 1996 році були удостоєні вчені зі США і Великобританії — Роберт Керл, сер Гарольд Крото і Річард Смолі, — котрим уперше вдалося виявити таку форму вуглецю під час лазерного випаровування графіту в атмосфері гелію. Відкриття цієї молекули завбільшки один нанометр, тобто в одну мільярдну частку метра, було визнано однією з найважливіших подій у науці XX століття. У привітальному слові Нобелівського комітету це відкриття за значущістю прирівнювалося до відкриття Америки Колумбом.

Фулерен — надзвичайна молекула. Природа створила його дволиким Янусом. В ньому, наприклад, гармонійно поєднались вакуум і матерія — дві основи світобудови. Якщо заглянути всередину цієї незвичної кульки, то можна побачити порожнечу, пронизану електромагнітними полями. Фулерен є своєрідною сполучною ланкою між органічною і неорганічною матерією. Зокрема його геометрична форма має надзвичайну подібність до найважливіших біологічних структур живих організмів — фрагментів молекули ДНК, третинної структури білків, вірусів тощо. Коли до цього додати здатність фулерену, на відміну від графіту і алмазу, розчинятися в органічних розчинниках і утворювати безліч нових сполук із різними елементами, то стає зрозуміло, чому від нього почали чекати чудес.

Тільки-но булі розроблені прості способи одержання вуглецевих молекул, у науковому світі розпочався «фулереновий бум». Фахівці пророкували, що фулеренові «м’ячики», а також відкриті пізніше вуглецеві нанотрубки і наноцибулини дадуть змогу одержувати надзвичайні електричні, механічні, оптичні, магнітні, біохімічні та інші ефекти, які можна використовувати в різних галузях науки, техніки і медицини. У розвинених країнах було налагоджене виробництво фулеренів і вуглецевих наноматеріалів на їхній основі, створені спеціалізовані дослідницькі фірми, відкриті науково-технічні програми. З’явилися нові наукові дисципліни — фулеренознавство і наука про нановуглецеві матеріали. Кілька невеликих груп дослідників працює й в Україні, зокрема в Харкові.

Досліджуючи фулерени, фахівці припустили, що вони можуть утворюватися і в природних умовах — усюди, де є вуглець і високі енергії. Наприклад, поблизу вуглецевих зірок, у міжзоряному просторі і навіть на Землі — у місцях потрапляння блискавок або поблизу кратерів вулканів. Можуть вони потрапляти на нашу планету і з космосу з метеоритною речовиною. Справді, в 1992 році природні аналоги фулеренів були виявлені російськими вченими в Карелії. Тут поблизу Онезького озера залягають унікальні мінеральні породи, іменовані шунгітами, вік яких становить близько двох мільярдів років. Шунгіти містять до 90% чистого вуглецю, зокрема приблизно одну соту частку відсотка у вигляді фулерену. Можливо, походження цього мінералу саме і пояснюється падінням великого вуглецевого метеорита.

Тут із незапам’ятних часів існує цілюще джерело, поблизу якого Петро I побудував перший у Росії курорт «Марціальні води». Сотні років люди користувалися чудесним джерелом, яке протікало крізь шунгітові породи, для порятунку від своїх хвороб, не знаючи причини його лікувальних властивостей. Проте його воду не можна розлити в пляшки і використовувати за потребою — уже через кілька годин вона втрачає свою цілющість. Чим пояснити недовговічність цілющих властивостей марціальних вод?

Якщо хтось і може відповісти на це запитання, то це співробітники НТК «Інститут монокристалів» НАН України. У 1999 році харківські вчені досліджували зразки шунгіту, передані їм фахівцями Карельського наукового центру. Вони підтвердили наявність фулеренів у цих породах, потім не тільки відтворили марціальну воду у своїй лабораторії, але й першими у світі розробили метод одержання водних розчинів чистих фулеренів — FWS. Сьогодні харків’яни визнані у світі фахівці в галузі вивчення систем «фулерени-вода» і досліджень взаємодії фулеренів з біологічними об’єктами — біомолекулами, клітинами і живими організмами.

Жива вода

— Як ви одержуєте водний розчин фулеренів? — запитую в керівника робіт, кандидата хімічних наук Г.Андрієвського.

— Давайте спочатку пригадаємо, що таке звичайна вода. Це система, яка складається з вільних і упорядкованих молекул, — розповідає Григорій Володимирович. — Частина упорядкованих молекул води являє собою так звані мерехтливі кластери — сферичні утворення, подібні до тих структур води, які властиві живому організму. Кластери визначають біологічну активність води і її цілющість, проте живуть дуже недовго — мільярдні частки секунди. Вони то розпадаються, то з’являються знову, за що й названі мерехтливими.

А тепер про наш метод одержання чистого розчину фулерену, що запатентований в Україні і Росії. Розчинивши фулерен в органічній сполуці, ми додаємо отриманий розчин у воду і в спеціальних умовах обробляємо цю суміш ультразвуком. При цьому окремі молекули фулерену миттєво «змінюють шкіру» — вони скидають оболонку з органічного розчинника й огортаються міцною водяною оболонкою, перетворюючись на гідратований фулерен — HyFn. При цьому кожний «футбольний м’ячик» формує й утримує навколо себе упорядкований водяний кластер, поперечні розміри якого в десятки разів більші, ніж у нього самого. Такі кластери перестають бути мерехтливими і перетворюються на стабільні утворення, які можуть існувати необмежено довго.

— Якщо сама молекула фулерену С₆₀ є подобою футбольного м’яча, то який вигляд вона має у водяній оболонці?

— Це водне утворення, у центрі якого розташована молекула розміром в один нанометр, а навколо неї — структурована, упорядкована вода, яка поширюється в усі боки на відстань у 20—80 нанометрів. Фулерен певною мірою можна порівняти з планетою, яка утримує в полі свого тяжіння безліч певним чином розташованих супутників. Ця модель була побудована на підставі сукупного аналізу фізико-хімічних і біологічних властивостей гідратованих фулеренів, які були отримані українськими вченими із залученням фахівців із Росії, США, Японії, Франції, Угорщини, Молдови. Такі фулерени в оболонці — гармонійний симбіоз вуглецевих і водяних структур — можуть об’єднуватися у великі кулеподібні утворення, водяні кластери вищого порядку.

— Американські вчені публікували повідомлення про надзвичайно високу токсичність фулеренів. За їхніми спостереженнями, у риб, що плавали у воді з домішками фулеренів, відбувалися негативні зміни в мозку, а клітини людської шкіри під час контакту з розчином і зовсім гинули.

— Нам постійно доводиться відстоювати «добре ім’я» фулеренів, зокрема й на 8-й Міжнародній конференції «Фулерени і атомні кластери», яка відбулася в 2007 році в Санкт-Петербурзі. Харківські вчені понад десять років працюють із водними розчинами фулеренів і не помічали їхнього шкідливого впливу, у тому числі на шкіру. Ми припустили, а потім наш висновок був підтверджений самими американцями, що їхня помилка полягала в методі приготування водяних розчинів фулеренів, при якому використовувалися отруйні речовини. Саме залишки токсинів, а не фулерени призводили до ураження мозку риб та інших негативних ефектів. Сама молекула фулерену в гідратованій формі нетоксична, більш того, HyFn узагалі не розпізнається живим організмом як чужорідна речовина.

— Які головні механізми біологічної дії розчинів HyFn?

— Хочу підкреслити, що сама молекула гідратованого фулерену не має якоїсь вираженої біологічної активності. Вона тільки структурує воду, робить її подібною до тієї живої води, із якої на 80% складається наш організм, і утримує її необмежено довго в такому стані.

Водні розчини фулерену виявляють найширший спектр корисних властивостей. Наприклад, вони мають вищу антиоксидантну активність, ніж такі визнані антиоксиданти, як вітаміни Е, А, каротиноїди та ін. Як відомо, практично будь-яке захворювання пов’язане з процесами запалення, які супроводжуються надлишковим утворенням в організмі вільних радикалів. Їх накопичення породжує цілу лавину негативних біохімічних процесів. Такий стан називається оксидантним стресом.

Потрапляючи в живий організм, розчин гідратованого фулерену змушує надлишкові вільні радикали, зокрема агресивні форми кисню і продукти окислення біомолекул, самознищуватися. При цьому він не зачіпає того мінімуму вільних радикалів, який життєво важливий для нормального функціонування наших біологічних систем. Іншими словами, він тільки регулює їхню кількість і тим самим дає організму змогу мобілізувати власні захисні функції для протистояння різним хворобам.

Не панацея, а коректор

У співробітництві з фахівцями різних дослідницьких організацій харківські вчені підтвердили ці властивості розчинів HyFn на практиці. Вони проводили біологічні випробування при різних патологіях у лабораторних тварин — практично завжди спостерігалися позитивні біологічні ефекти.

Як приклад можна навести роботи, проведені в лабораторіях НДІ експериментальної діагностики і терапії Російського наукового онкологічного центру, яким керує професор Буренін. У лабораторних тварин на 30—70% уповільнювалося зростання пухлин, збільшувалась тривалість життя. Експерименти вчених з Інституту терапії АМНУ в Харкові і Дніпропетровському національному університеті показали, що розчини HyFn є високоефективними протекторами під час терапії і профілактики різних патологій печінки і мозку. Цікавий результат отримано у співробітництві з київськими і дніпропетровськими фахівцями, які виявили високу ефективність використання розчинів для боротьби з утворенням тромбів у кровоносних судинах, що важливо, наприклад, під час лікування інсультів, тромбозів тощо.

Нині російські дослідники спільно з колегами з Бостонського університету вивчають антиалергічні властивості HyFn. У Пущино (Росія) проводяться експерименти стосовно хвороби Альцгеймера та інших захворювань нервових тканин. А вчені з Фіратського університету (Туреччина) досліджують можливість захисту за допомогою HyFn нащадків вагітних тварин із діабетичною патологією. Більш ніж десятилітнє співробітництво фахівців України з колегами з близького і далекого зарубіжжя показало, що водяні розчини фулеренів можуть бути ефективними також при атеросклерозі, хворобах шлунка, жовчного і сечового міхура, підшлункової залози, при опіках. Вони зменшують період відновлення організму після хірургічних втручань, ефективні при ЛОР-захворюваннях, мають позитивний вплив на репродуктивні функції людини, ефективні при синдромі хронічної втоми і так далі.

— Хочу підкреслити, —говорить Григорій Андрієвський, — що водний розчин фулерену не є панацеєю, хоча виявляє досить універсальну позитивну біологічну активність, має нормалізуючу, загальнозахисну дію.

Харківські вчені розглядають розчини HyFn як прототипи нового класу фармацевтичних препаратів для терапії різних патологічних станів. Вони розробили стандартні методики одержання водних розчинів фулеренів, а також орієнтовні схеми і дозування під час їхнього використання як лікарських препаратів, гомеопатичних засобів, а також біологічно активних добавок, композитів і косметичних інгредієнтів.

На наукові праці харків’ян звернули увагу першовідкривачі фулерену. Так, президент і професор японського Інституту з досліджень нановуглецю Є.Осава у доповіді на Міжнародному форумі з нанотехнологій відзначив унікальний характер розробок водних розчинів фулеренів, що є, на його думку, проривними в галузі фулеренових наук. А Нобелівський лауреат сер Гарольд Крото у своєму листі харківським ученим зазначив: «Велике спасибі за дуже цікаві статті з водорозчинності фулеренів, які ви мені надіслали. Схоже, це дуже важливе досягнення, зокрема з погляду фармацевтики. Я сподіваюся, це виявиться великим кроком уперед».

* * *

…Практично в усіх теоріях виникнення життя з неживої матерії названі кілька головних чинників, без котрих ця подія не могла б відбутися. Серед них — концентрування простих молекул поблизу активних центрів, у яких відбуваються реакції, ускладнення органічних молекул, які утворюються, до первинних упорядкованих структур, утворення структур високого порядку, а потім і систем, які самовідтворюються.

В експериментах учені довели, що при відтворенні умов, які існували на Землі у передбіологічний період, утворення амінокислот і деяких нуклеїнових основ цілком можливе. Проте далі цього справа не йшла. Потрібна була присутність якоїсь матриці, яка могла б забезпечувати синтез і напрацювання складніших молекул із найпростіших аж до утворення форм вуглецевого життя і водночас перешкоджати розпаду тих молекул, які синтезувалися в її присутності.

На думку харківських учених, до цієї ролі підходить тільки водно-фулеренова система, швидше за все, на основі головного і найбільш стійкого представника сімейства фулеренів С₆₀, котрий має всі потрібні властивості. А саме — постійний склад, високу симетрію, взаємодією з водою, уміння створювати навколо себе симетричне оточення з інших молекул, концентрувати поблизу своєї поверхні активні радикали і сприяти їхній нейтралізації з утворенням складних органічних молекул.

Можливо, фулерени і фулереноподібні структури в комплексі з водою і були тією первинною матрицею, завдяки якій на нашій Землі з’явилося життя? Вчені не виключають також, що його зародження не є первинним і єдиним у своєму роді актом, можливо, цей процес відбувається безупинно й якимось чином впливає на розвиток життя й утворення його нових форм.