МЕЖДУНАРОДНЫЙ ТОМОГРАФИЧЕСКИЙ ЦЕНТР
Сибирского Отделения Российской Академии Наук
RU | EN




Важнейшие результаты

31 августа 2020г.

Ядерный магнитный резонанс в отсутствие магнитного поля – вовсе не оксюморон, а новый подход для наблюдения за химическими реакциями в реальном времени

Ученые института «Международный томографический центр» СО РАН (г. Новосибирск) в сотрудничестве с коллегами из института Гельмгольца и университета им. Иоганна Гутенберга в Майнце (Германия) предложили новый подход для наблюдения за химическими реакциями с помощью ядерного магнитного резонанса в нулевом магнитном поле. Статья об этом вышла в журнале Angewandte Chemie.

ACIE_пресс-релиз.jpg

Автор рисунка – Джон Бланчард, институт Гельмгольца в Майнце

На явлении ядерного магнитного резонанса (ЯМР) основан такой широко распространенный метод неинвазивной медицинской диагностики, как магнитно-резонансная томография (МРТ). Высокая специфичность данного явления к различной природе химических веществ в организме делает МРТ исключительно информативным методом, позволяя получать сведения о пространственном распределении биологически важных молекул. Однако такая специфичность метода ЯМР может применяться не только для изучения живых объектов, но и для изучения промышленно важных каталитических процессов. В лаборатории профессора И.В. Коптюга в МТЦ СО РАН накоплен большой опыт по применению спектроскопии и томографии ЯМР в области химической технологии и катализа, в том числе для изучения разнообразных процессов транспорта вещества в модельных каталитических реакторах и прямой визуализации пространственного распределения реагентов и продуктов химических реакций. Однако в классическом исполнении спектроскопия ЯМР проводится в присутствии сильного магнитного поля (и, соответственно, электромагнитного излучения радиочастотного диапазона), что связано с необходимостью создания достаточного сигнала для его регистрации. Но такое исполнение затрудняет применение данного метода для изучения химических превращений в условиях, близких к используемым в промышленности (высокие давления и температуры, проведение реакции в металлическом реакторе, существенная неоднородность образца, связанная с присутствием гетерогенного катализатора, и др.). В первую очередь это обусловлено тем, что металлический реактор действует как экран, предотвращая проникновение радиочастотных волн, необходимых для регистрации сигнала ЯМР исследуемых молекул. Кроме того, спектроскопия ЯМР в сильном поле чрезвычайно капризна к качеству образца, и зачастую спектр ЯМР от неоднородных образцов недостаточно информативен.

В качестве решения ученые предложили использовать спектроскопию ЯМР в нулевом (сверхнизком) магнитном поле вкупе с методами гиперполяризации. Данная работа была проведена в лаборатории профессора Дмитрия Будкера, одного из пионеров в области спектроскопии ЯМР в сверхнизких магнитных полях. Из-за отсутствия сильного внешнего магнитного поля металлический реактор не будет иметь экранирующего эффекта. Однако отсутствие внешнего магнитного поля приводит к необходимости использования методов гиперполяризации для создания достаточного для регистрации сигнала. В данном случае был использован метод индуцированной параводородом поляризации ядер. Ученые исследовали двухстадийную реакцию гидрирования ненасыщенного субстрата водородом (A → B → C) в контейнере из титана, а также в стандартной ампуле ЯМР для сравнения. В каждом случае обогащенный пара-изомером водород пропускали через образец и регистрировали спектры ЯМР в нулевом поле. Результаты показали, что химические превращения в металлическом контейнере можно легко отслеживать с помощью ЯМР в нулевом поле. Более того, можно наблюдать кинетику протекающих превращений с высоким спектральным разрешением при непрерывном барботировании параводорода через исследуемый раствор, что невозможно в традиционном ЯМР в сильных полях.

«Мы ожидаем, что спектроскопия ЯМР в нулевом поле найдет применение в области катализа для наблюдения за химическими превращениями во времени, а также для изучения механизмов химических реакций в реальных условиях», - пишут исследователи в статье, опубликованной в ведущем научном журнале Angewandte Chemie.

D.B. Burueva, J. Eills, J.W. Blanchard, A. Garcon, R. Picazo-Frutos, K.V. Kovtunov, I.V. Koptyug, D. Budker. Chemical reaction monitoring using zero-field nuclear magnetic resonance enables study of heterogeneous samples in metal containers, Angewandte Chemie International Edition, 2020, https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202006266


15 июня 2020г.

УФ-А индуцированные повреждения белка лизоцима в реакциях Типа 1 сенсибилизированных кинуреновой кислотой

 

Механизмы повреждений белковых молекул в фотоиндуцированных реакциях типа I были изучены на примере модельного белка лизоцима куриного яйца (Hen Egg White Lysozyme, HEWL). Повреждения были сенсибилизированы кинуреновой кислотой (KNA), одним их самых эффективных фотосенсибилизаторов хрусталика человека присутствующей в ткани в следовых количествах. Радикал KNA˙ может вступать в реакцию с молекулярным кислородом с образованием супероксид аниона. В таком случае дальнейшие реакции фотоповреждения белков могут протекать по двум механизмам:

Тип Iа: прямые реакции между образовавшимися радикалами KNA˙ и HEWLŸ;

Тип Iб: реакции между супероксидом O2˙ и HEWLŸ.

Результаты нашего исследования показали, что в результате реакций типа Ia происходит значительная деградация белка с образованием многочисленных олигомерных и оксигенированных форм (здесь и далее оксигенирование – это присоединение одного или двух атомов кислорода к исследуемой молекуле; окисление – перенос электрона с одной молекулы на другую) и несколько деоксигенированных продуктов KNA. ВЭЖХ-МС анализ выявил образование ковалентных сшивок между белками по остаткам триптофана Trp62 и тирозина Tyr23 и, впервые, было обнаружено ковалентное связывание KNA по остаткам триптофана (Trp62, Trp123). Было обнаружено, что в реакциях типа Iб наблюдается в 10 раз меньшая деградация исходного белка, квантовый выход разложения (Φдег) составил величины 1.3 ± 0.3 % для типа Iа и 0.12 ± 0.03 % для типа Iб, соответственно. Низкие значения Φдег для обоих типов фотореакций указывает на то, что обратный перенос электрона с восстановлением исходных реагентов является основным каналом гибели образующихся радикалов. Таким образом, было показано, что в определенных условиях кислород может выступать в роли защитного агента, существенно снижая повреждения белковой молекулы в радикальных реакциях.

В заключении, необходимо отметить, что в тканях с крайне низким содержанием кислорода, таким как хрусталик, прямые радикальные реакции типа Iа могут приводить к значительным повреждениям белков посредством образования ковалентных сшивок и оксигенированию. С возрастом накопление этих модификаций может приводить к развитию различных заболеваний, включая катаракту глаза.

 

Опубликовано:

Ekaterina D.Savina, Yuri P.Tsentalovich, Peter S.Sherin. UV-A induced damage to lysozyme via Type I photochemical reactions sensitized by kynurenic acid. Free radical Biology and Medicine, 2020, doi: 10.1016/j.freeradbiomed.2019.11.017

https://doi.org/10.1016/j.freeradbiomed.2019.11.017

 


5 мая 2020г.

В недавней работе впервые ЯМР спектроскопия гиперполяризованного ксенона и протонная МРТ применены совместно для визуализации протекания гетерогенной каталитической реакции с измерением степени конверсии реагентов в продукт и определением температуры катализатора.   

 

Показано, что химический сдвиг ксенона в спектре ЯМР 129Xe, наблюдаемый для газа в пористом пространстве гранул оксида алюминия, содержащих наночастицы платины, значительно изменяется при изменении температуры гранул и таким образом может использоваться для термометрии работающего реактора. На основе этого наблюдения ЯМР спектроскопия с использованием гиперполяризованного ксенона (129Xe*) была применена для динамических измерений температуры работающего модельного каталитического реактора в нестационарных условиях при протекании гетерогенной каталитической реакции после запуска реактора. Возможность прямой гиперполяризации ядерных спинов 129Хе для смеси ксенона и молекулярного водорода с соотношением
Xe:H2 = 0,05:0,95 значительно облегчает использование данного подхода для
изучения реакций гидрирования. Изображения МРТ, полученные по сигналу ЯМР 1Н в  условиях стационарного протекания реакции, позволили оценить степень конверсии  в реакции гидрирования пропилена в пропан и  показали, что конверсия близка к 100% для газа, который вступает в контакт с катализатором.

Результаты работы опубликованы в статье: D.B. Burueva, E.V. Pokochueva, X. Wang, M. Filkins, A. Svyatova, S.P. Rigby, C. Wang, G.E. Pavlovskaya, K.V. Kovtunov, T. Meersmann, I.V. Koptyug. In situ monitoring of heterogeneous catalytic hydrogenation via 129Xe NMR spectroscopy and proton MRI, ACS Catal., 10, 1417-1422 (2020).

 


16 марта 2020г.

Впервые в мире в хрусталиках пресноводных рыб был обнаружен овотиол (OSH) – один из самых мощных антиоксидантов, существующих в живой природе. Ранее OSH находили только в тканях морских беспозвоночных. Обнаружение OSH в миллимольных концентрациях в хрусталиках рыб меняет современную концепцию окислительно-восстановительных процессов в хрусталике: OSH дезактивирует активные формы кислорода (ROS), а глутатион восстанавливает окисленный овотиол OSSO.

 

Работа опубликована: Yanshole, V.V.; Yanshole, L.V.; Zelentsova, E.A.; Tsentalovich, Yu. P. Ovothiol A is the Main Antioxidant in Fish Lens. Metabolites, 9(5), 95. 2019 (DOI: 10.3390/metabo9050095)

5 февраля 2020г.

   

В недавней работе сотрудников МТЦ впервые предложен оригинальный и эффективный метод исследования проницаемости металл-органических каркасов с помощью спектроскопии электронного парамагнитного резонанса (ЭПР).

Результаты опубликованы в престижном журнале:


D. M. Polyukhov, A. S. Poryvaev, S. A. Gromilov, M. V. Fedin // Precise Measurement and Controlled Tuning of Effective Window Sizes in ZIF-8 Framework for Efficient Separation of Xylenes // Nano Letters 19 (2019) 6506-6510.  10.1021/acs.nanolett.9b02730

Металл-органические каркасы (англ. MOF) являются перспективными наноматериалами для разделения молекул с близкими размерами и структурами, такими как, например, различные изомеры. Эффективность разделения может быть значительно повышена, если апертуры наноразмерных окон, контролирующих диффузию конкретной молекулы внутрь полостей, точно настраиваются внешними воздействиями. В нашей работе предложен новый подход для точного измерения размеров окон в металл-органическом каркасе ZIF-8, который далее использован для эффективного разделения изомеров ксилола, что имеет большое практическое значение. Был синтезирован ZIF-8 со встроенными в поры стабильными нитроксильными радикалами, позволяющий с помощью спектроскопии электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) in situ осуществлять измерения диффузии различных гостевых молекул сквозь материал. Незначительное изменение температуры в пределах 298–333 К позволило произвести подстройку апертур окон и достичь оптимальных условий для разделения p-, m- и о-ксилолов с эффективностью до 92–95%. Разработанная методология дает более глубокое понимание стерических и кинетических аспектов молекулярной диффузии в ZIF-8 и определяет стратегии оптимизации других приложений металл-органических каркасов к задачам разделения.

5 декабря 2019г.

Развитие метода медицинской визуализации требует создание новых технологий и новых контрастных веществ, направленных как на уменьшение времени сканирования, так и на получение новой информации. Поэтому, в контексте возможных медицинских и немедицинских приложений метода МРТ, получение гетероядерной гиперполяризации более чем оправданно и актуально, и обусловлено как большими временами жизни гиперполяризации,  так и значительными коэффициентами усиления сигнала ЯМР. Получение гетероядерной SABRE поляризации на  ядрах 15N является одним из путей решения данной проблемы.  Дальфампридин или 4-аминопиридин является препаратом, который может значительно уменьшить симптомы рассеянного склероза. Он не влияет на течение самого заболевания, но используется для симптоматического улучшения ходьбы у взрослых.  В ходе исследования использовали подход SLIC-SABRЕ для переноса гиперполяризации от параводорода к ядрам 15N дальфампридина (FAM) и 4-диметиламинопиридина (DMAP) для установления возможности получения 15N МРТ изображений FAM и DMAP при естественном содержании изотопов 15N. Значительные уровни усиления сигнала15N ЯМР для DMAP, были использованы для 15N МРТ при естественном содержании изотопа 15N. Впервые применение подхода SLIC-SABRЕ позволило получить 15N МРТ изображение субстрата при естественном содержании ядер 15N с хорошим отношением сигнал/шум и высоким пространственным разрешением. Таким образом, был реализован очень эффективный подход для гиперполяризации 15N биосовместимой молекулы. Высокие уровни поляризации 15N (около 8%) позволили впервые продемонстрировать 15N МРТ при естественном содержании ядер 15N (0.3%).

Результаты опубликованы в журнале Chemistry - A European Journal. 15 N Hyperpolarization of Dalfampridine at Natural Abundance for Magnetic Resonance Imaging. I. V. Skovpin, A. Svyatova, N. Chukanov, E. Y. Chekmenev, K. V. Kovtunov, I. V. Koptyug. Chemistry - A European Journal. 25 (55), 12694-12697. (DOI: 10.1002/chem.201902724)



7 ноября 2019г.

   

В недавней работе сотрудников МТЦ (совместно с коллегами из НИОХ СО РАН) впервые показано, что фотовозбужденные триплетные фуллерены могут быть успешно использованы как спиновые метки для измерения расстояний на нанометровой шкале в биомолекулах с помощью спектроскопии электронного парамагнитного резонанса (ЭПР).

Результаты опубликованы в престижном журнале:


O. A. Krumkacheva, I. O. Timofeev, L. V. Politanskaya, Y. F. Polienko, E. V. Tretyakov, O. Yu. Rogozhnikova, D. V. Trukhin, V. M. Tormyshev, A. S. Chubarov, E. G. Bagryanskaya, M. V. Fedin // Triplet Fullerenes as Prospective Spin Labels for Nanoscale Distance Measurements by Pulsed Dipolar EPR // Angew. Chem. Int. Ed. 58 (2019) 13271–13275.  10.1002/anie.201904152

Точные измерения нанометровых расстояний с помощью спектроскопии импульсного ЭПР играют важную роль в структурных исследованиях биомолекул. Свойства спиновых меток, используемых в этом подходе, определяют пределы чувствительности, достижимые расстояния и близость к биологическим условиям. В данной работе впервые предложено и апробировано использование фотовозбужденных фуллеренов в качестве спиновых меток для измерения расстояний методами импульсной дипольной ЭПР спектроскопии. Гиперполяризация и более узкий спектр фуллеренов по сравнению с другими триплетами (например, порфиринами) повышают чувствительность, а превосходные релаксационные свойства позволяют проводить измерения вплоть до температуры, близкой к комнатной. Данный подход продемонстрирован на модельных парах фуллерен-нитроксильный радикал и фуллерен-триарилметильный радикал, а также на супрамолекулярном комплексе фуллерена со спин-меченным белком. В связи с этим, фотовозбужденные триплетные фуллерены можно рассматривать как новые спиновые метки с выдающимися спектроскопическими свойствами для будущих структурных исследований биомолекул.

 

 

16 октября 2019г.

Спектроскопия ЯМР в двух измерениях является одним из наиболее важных спектроскопических методов изучения биологически важных молекул. Однако, ввиду относительно низкой чувствительности ЯМР спектроскопии, для получения таких спектров зачастую требуются десятки минут и даже часы. В работе продемонстрирована возможность регистрации биоактивного аналога пептида SFTI-1 (ингибитора трипсина подсолнечника -1) и использованием индуцируемой параводородом поляризации ядер (ИППЯ) и ультрабыстрой двумерной ЯМР спектроскопии. Для генерации ИППЯ применялось мечение пептида O-пропаргил-тирозином, что позволило добиться усиления сигналов в одномерных спектрах ЯМР в 1,200 раз. Наличие таких значительных усилений сигналов позволило получить двумерные спектры ЯМР всего за 10 секунд в образцах с низкой концентрацией SFTI-1 – для регистрации спектров применялись методы ультрабыстрой ЯМР спектроскопии. Работа выполнена совместно с учеными из Технического университета Дармштадта (Германия)

 

Результаты опубликованы в статье в журнале “Chemistry, a European Journal («горячая статья», графический реферат размещен на обложке журнала), DOI: 10.1063/1.5079436



Результаты прошлых лет