19 ноября 2021г.
Индуцируемая параводородом поляризация ядер (ИППЯ), является методом создания гиперполяризации в системах ядерных спинов, и, в том числе, позволяет получать биомолекулы для визуализации метаболизма in vivo. В методе ИППЯ гиперполяризацая молекулы образуется в виде синглетного порядка протонов, но для большинства практических приложений необходимо получать гиперполяризацию спина гетероядра (например, 13C или 15N). В данной работе мы представляем импульсные методы для манипуляций синглетным порядком протонов в условиях сильного поля в молекуле [1-13C] фумарата, и, в частности, для переноса синглетного порядка протонов в намагниченность ядра 13C. Мы используем адиабатические импульсы, то есть импульсы с медленно нарастающей амплитудой, и применяем принцип постоянной адиабатичности: спиновый гамильтониан варьируется таким образом, что обобщенный параметр адиабатичности не зависит от времени. Это обеспечивает более быстрый перенос поляризации, и позволяет достигнуть эффективности переноса равной 96,2 % в экспериментах с термической поляризацией ядер. Мы продемонстрировали аналогичный перенос в экспериментах с использованием гиперполяризации и получили поляризацию 13C равную 6,8 %. Эта работа открывает путь к эффективной гиперполяризации ядерных спинов в различных биомолекулах, поскольку импульсные последовательности, применяемые в сильных магнитных полях, позволяют манипулировать отдельными спинами.
Публикация: Bogdan A. Rodin, Vitaly P. Kozinenko, Alexey S. Kiryutin, Alexandra V. Yurkovskaya, James Eills, Konstantin L. Ivanov. Constant-adiabaticity pulse schemes for manipulating singlet order in 3-spin systems with weak magnetic non-equivalence. Journal of Magnetic Resonance, 327, 2021, 106978, https://doi.org/10.1016/j.jmr.2021.106978.
16 августа 2021г.
В работе сотрудников Лаборатории протеомики и метаболомики МТЦ СО РАН показан ранее неизвестный способ детоксикации гема в организме домашней кошки Felis silvestris catus. Молекула свободного гема (феррипротопорфирин IX) является очень токсичной для организма, и его детоксикация - очень важный процесс, особенно для хищных животных. В данной работе найден ранее не описанный путь нейтрализации свободного гема у домашних кошек. Мы обнаружили, что в желудочно-кишечном тракте кошки, на пути из желудка в кишечник, гем входит в нерастворимые в воде частицы гидроксиапатита (CHA). Структура и состав этих частиц, а также эффективность включения гема зависят от питания животных, особенно от наличия костей в рационе, источника ортофосфатных и карбонатных солей. Наши результаты предполагают двухэтапный процесс детоксикации гема у хищников. Сначала молекулы гема и компоненты гидроксиапатита из мяса и костей растворяются в желудке в кислой среде. Последующее превращение этих молекул в нерастворимые в воде частицы происходит в тонком кишечнике при нейтральных значениях pH. Заключенный в эти наночастицы токсичный гем становится биологически инертным. Эксперименты in vitro с наночастицами гем-гидроксиапатит подтвердили предложенный сценарий. Поэтому пережевывание костей, столь любимых хищниками, является не столько актом наслаждения деликатесом, сколько актом сбора важного материала, необходимого для поддержания хорошего здоровья.
Публикация по результатам выполненной работы:
Duzhak, A.B., Sherin, P.S., Yanshole, V.V., Veber S.L., Baiborodin S.I., Sinitsyna O.I., Tsentalovich Yu.P. A previously unknown way of heme detoxification in the digestive tract of cats. Sci Rep 11, 8290 (2021). https://doi.org/10.1038/s41598-021-87421-6
16 июля 2021г.
Получение чистых гиперполяризованных газов и жидкостей путем гетерогенного гидрирования непредельных соединений параводородом представляет огромный интерес для различных приложений, как научно-технических, так и биомедицинских, включая исследования in vivo, изучение механизмов промышленно важных каталитических процессов, обогащение ядерных спиновых изомеров многоатомных газов и других. В связи с этим широкий систематический поиск гетерогенных катализаторов, эффективных в парном присоединении H2 к ненасыщенным субстратам, которое является необходимым условием наблюдения эффектов индуцированной параводородом спиновой гиперполяризации, является крайне актуальной задачей. В недавней работе сотрудников института совместно с коллегами из ИОХ им. Н.Д. Зелинского РАН продемонстрировано конкурентное преимущество биметаллических катализаторов на основе Pd для реализации индуцированной параводородом гиперполяризации в процессах гетерогенного гидрирования. Разбавление каталитически активного металла (Pd) менее активными атомами (Ag или In) обеспечивает образование атомно-дисперсных центров Pd1 на поверхности биметаллических катализаторов на основе Pd, которые значительно более избирательны в отношении парного присоединения H2 к кратным связям углерод-углерод по сравнению с монометаллическим Pd. Более того, выбор металла разбавления (Ag или In) оказывает заметное влияние на эффективность биметаллических катализаторов в парном присоединении Н2 и, соответственно, на величину усиления сигналов ЯМР продукта реакции, что однозначно установлено при сравнении биметаллических катализаторов Pd-Ag и Pd-In.
Публикация по результатам выполненной работы:
D. B. Burueva, A. Y. Stakheev, I. V. Koptyug. Pd-based bimetallic catalysts for parahydrogen-induced polarization in heterogeneous hydrogenations, Magn. Reson., 2, 93-103 (2021); doi: 10.5194/mr-2-93-2021.
21 мая 2021г.
В недавней работе сотрудников МТЦ СО РАН описан метод синтеза комплекса Cu(hfac)2 с парамагнитным лигангом 2-(1-этилимидазол-5-ил)-4,4,5,5-тетраметил-4,5-дигидро-1H-имидазол-3-оксид-1-оксил (L5Et) в виде двух полиморфов α-[Cu(hfac)2L5Et] (голубовато-зеленые кристаллы) и β-[Cu(hfac)2L5Et] (коричневые кристаллы). Несмотря на структурное подобие обеих модификаций, твердые фазы которых образованы полимерными цепями с цис-координацией hfac-лигандов, их магнитные свойства оказались существенно разными. В случае β-[Cu(hfac)2L5Et] при повторении циклов охлаждение–нагревание в интервале температур 260–180 K наблюдается обратимый спиновый переход β-[Cu(hfac)2L5Et]–HT↔β-[Cu(hfac)2L5Et]–LT, возникающий в результате значительного изменения расстояний Cu–ONO в гетероспиновых обменных кластерах Cu–O•–N< от 2.312(6) Å (HT-форма) до 2.011(2) Å (LT-форма), что приводит к переключению в них ферромагнитного обмена на антиферромагнитный. При первом охлаждении α-[Cu(hfac)2L5Et] на кривой зависимости µeff(T) также регистрируется резкое уменьшение значения µeff от 2.6 µB при 200 K до 0.35 µB при 100 K. Однако это не спиновый переход в исходном α-[Cu(hfac)2L5Et], а следствие необратимого фазового превращения α-[Cu(hfac)2L5Et] в β-[Cu(hfac)2L5Et], индуцируемого охлаждением метастабильной α-модификации до T<200 K. Дальнейшее повторение циклов нагревание–охлаждение воспроизводит обратимый спиновый переход, присущий β-[Cu(hfac)2L5Et]. Фактически в исходной α-модификации комплекса при охлаждении от 200 до 100 K зарождается и нарастает доля β-модификации, т.е. в области температур 200–100 K исследуемый образец представляет смесь модификаций, которая полностью переходит в β-модификацию при T<75 K. По этой причине все регистрируемые значения µeff для охлаждаемого образца α-[Cu(hfac)2L5Et] в области 200–100 K выше таковых для β-[Cu(hfac)2L5Et] вплоть до T~75 K, пока вся исходная α-модификация не превратится в β-модификацию. Для комплексов переходных металлов с нитроксилами подобный эффект ранее не наблюдался. Мы назвали экспериментальную зависимость µeff(T), наблюдающуюся при первом охлаждении α-[Cu(hfac)2L5Et], «спиновым переходом в зарождающейся фазе», чтобы отличить её от кривой µeff(T) для β-[Cu(hfac)2L5Et], соответствующей типичному обратимому спиновому переходу для гетероспинового комплекса переходного металла с органическим радикалом. Результаты термомагнитных измерений коррелируют с данными ИК-Фурье спектроскопии и ЭПР.
Результаты опубликованы в статье:
Tolstikov S., Golomolzina I., Fokin S., Bogomyakov A., Morozov V., Tumanov S., Minakova O., Veber S., Fedin M., Gromilov S., Romanenko G., Ovcharenko V. / Spin Transition Resulting from the Generation of a New Cu(II)-Nitroxide Polymorph Exhibiting SCO-like Behavior in the Metastable Phase // Cryst. Growth Des., 2021, 21, 1, 260–269. https://dx.doi.org/10.1021/acs.cgd.0c01067
2 апреля 2021г.
Глимфатическая система и менингеальная лимфатическая система головного мозга: новое понимание очищения головного мозга
Совсем недавно были охарактеризованы глимфатическая система головного мозга и менингеальные лимфатические сосуды. Глимфатическая система представляет собой глия-зависимую систему периваскулярных каналов и играет важную роль в удалении межклеточных метаболических отходов. Менингеальные лимфатические сосуды могут способствовать отведению цереброспинальной жидкости в периферическое кровеносное русло, а также играть ключевую роль в обеспечении иммунного надзора центральной нервной системы. Нарушения и дисфункция глимфатической системы и менингеальных лимфатических сосудов играют решающую роль в возрастных изменениях головного мозга, патогенезе нейроваскулярных и нейродегенеративных заболеваний, а также при черепно-мозговой травме и опухолевом поражении головного мозга. В обзоре обсуждается взаимоотношение между недавно охарактеризованными менингеальными лимфатическими сосудами и глимфатической системой, обеспечивающей перфузию ЦНС цереброспинальной и интерстициальная жидкостями. Также представлены результаты исследований на людях, касающиеся изучения наличия, анатомии и структуры как менингеальной лимфатической, так и глимфатической систем. Присутствие этих систем, а также их взаимодействие, представляют собой своеобразную систему дренажа, меняющую понимание о циркуляции жидкости в головном мозге, а также способствующую пониманию патогенеза и механизмов развития нейродегенеративных заболеваний.
По результатам работы опубликована статья:
Galina Yankova, Olga Bogomyakova, Andrey Tulupov. The glymphatic system and meningeal lymphatics of the brain: new understanding of brain clearance. Rev Neurosci. 2021 Feb 22. doi: 10.1515/revneuro-2020-0106. Online ahead of print.
23 марта 2021г.
Двумерные ЯМР эксперименты, использующие спиновую эволюцию в ультраслабых магнитных полях
Методы многомерной корреляционной спектроскопии ЯМР дают ценную информацию о структуре и динамике различных молекулярных систем. Например, двумерная спектроскопия TOCSY (полная корреляционная спектроскопия) позволяет идентифицировать состав сложных смесей веществ, например, метаболитов в биологических образцах, позволяя производить отнесение сигналов в сложных спектрах. Однако при наличии перекрывания большого числа пиков в спектрах даже такие методы сталкиваются с трудностями, решить которые часто помогают гетероядерные двумерные ЯМР методы. В настоящей работе предлагается принципиально новый подход к двумерной гетероядерной спектроскопии ЯМР, основанный на спиновой динамике в условиях ультраслабого поля (Zero or Ultra-Low Field = ZULF) и регистрации сигналов ЯМР в сильном поле и названный ZULF-TOCSY. Данный метод позволяет получить корреляции между всеми взаимодействующими спинами, в том числе спинами гетероядер, и использует спектроскопию высокого разрешения для чувствительной регистрации сигналов ЯМР. Данные уникальные возможности, обеспечивающие простое отнесение сигналов в спектрах ЯМР, продемонстрированы на примере 13C,15N-меченых аминокислот и смеси 13C,15N-меченых малых биомолекул. Также продемонстрировано, что данный метод обеспечивает так называемое последовательное отнесение сигналов в спектрах ЯМР пептидов даже при естественном содержании изотопов.
По результатам работы опубликованы статьи:
I. V. Zhukov, A. S. Kiryutin, F. Ferrage, G. Buntkowsky, A. V. Yurkovskaya, K. L. Ivanov, «Total correlation spectroscopy across all NMR-active nuclei by mixing at zero field», J. Phys. Chem. Lett., 11, 7291-7296 (2020) DOI: 10.1021/acs.jpclett.0c02032
I. V. Zhukov, A. S. Kiryutin, A. V. Yurkovskaya, J. W. Blanchard, D. Budker, K. L. Ivanov. «Correlation of high-field and zero- to ultralow-field NMR properties using 2D spectroscopy», arXiv: 2012.00492 (2020)
15 февраля 2021г.
Методы ядерного магнитного резонанса (ЯМР) и магнитно-резонансной томографии (МРТ) широко используются в химии, биологии и медицине. Однако существенным недостатком этих методов является их низкая чувствительность, связанная с низкой поляризацией ядерных спинов даже в сильных магнитных полях. В настоящее время активно развиваются методики гиперполяризации, позволяющие создавать неравновесную поляризацию ядерных спинов и усиливать сигнал ЯМР на несколько порядков. Одной из таких методик является усиление сигнала путём обратимого обмена (SABRE, от англ. Signal Amplification By Reversible Exchange). В методе SABRE источником гиперполяризации является параводород — спиновый изомер молекулы водорода с нулевым суммарным ядерным спином, который вступает в процесс обратимого обмена с комплексом переходного металла. В слабом магнитном поле неравновесная поляризация ядер атомов водорода частично переносится на ядра других молекул, координированных к комплексу. Если эти молекулы могут обратимо отщепляться от металлокомплекса, то таким образом можно получать гиперполяризованные соединения в растворе без химической модификации их структуры.
Учёные из МТЦ СО РАН (лаборатория магнитно-резонансной микротомографии) совместно с коллегами из университета Уэйна (Детройт, США) показали, что метод SABRE можно использовать для эффективной гиперполяризации ниморазола — антибиотика, который сейчас проходит третью фазу клинических испытаний как радиосенсибилизатор для радиотерапии рака головы и шеи. Был разработан способ синтеза ниморазола, обогащённого изотопом 15N. С помощью метода SABRE сигнал ЯМР ядер 15N ниморазола был усилен в 67 тысяч раз в магнитном поле 1.4 Тл, близком к магнитному полю современных медицинских МР-томографов. Такое существенное усиление сигнала позволило получить МРТ-изображения по ядрам 15N ниморазола с пространственным разрешением 0.5×0.5 мм2 менее, чем за секунду. Более того, характерное время жизни гиперполяризованного спинового состояния ниморазола в этом магнитном поле практически достигает 6 минут, что в перспективе даёт достаточный запас времени для очистки раствора от металлокомплекса и введения ниморазола в организм. В будущем гиперполяризованный ниморазол может быть использован для радиотерапии рака одновременно с его визуализацией методом МРТ, что позволит отслеживать гипоксическое состояние опухоли и подбирать индивидуальную дозу препарата.
По результатам работы опубликована статья в журнале Angewandte Chemie, International Edition.
O. G. Salnikov, N. V. Chukanov, A. Svyatova, I. A. Trofimov, M. S. H. Kabir, J. G. Gelovani, K. V. Kovtunov, I. V. Koptyug, E. Y. Chekmenev, 15N NMR Hyperpolarization of Radiosensitizing Antibiotic Nimorazole by Reversible Parahydrogen Exchange in Microtesla Magnetic Fields, Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 2406-2413.
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202011698
18 января 2021г.
Аморфизация под влиянием внешнего давления является одним из ключевых процессов, влияющих на функциональные свойства металл-органических каркасов (MOF). Часто аморфизация происходит при формовании MOF для практических приложений, а также во время их эксплуатации. Типично, пористая структура MOF, необходимая для решения задач сорбции, разделения и катализа, повреждается под действием внешнего давления. В работе сотрудников МТЦ СО РАН развит экспериментальный подход для изучения индуцируемых давлением процессов в MOF, который использует следовые количества спиновых зондов (стабильных нитроксильных радикалов), включенных в поры MOF, и детектирование методами Электронного Парамагнитного Резонанса (ЭПР). Форма спектров ЭПР позволяет количественно характеризовать степень аморфизации каркаса, что показано на примере MOF ZIF-8. Более того, структура данного MOF может быть стабилизирована путем обратимой адсорбции различных гостевых молекул. Степень нейтрализации влияния давления зависит от параметров диффузии и локализации гостевых молекул в полостях каркаса, и может достигать 80% при приложенном давлении 1.15 ГПа. В связи с этим, развитая методология позволяет значительно нейтрализовать аморфизацию MOF под действием внешнего давления и открывает дальнейшие перспективы для контролируемой настройки стабилизирующих агентов и различных применений данных соединений.
По результатам работы опубликована статья: doi: 10.1021/acsami.0c03462
A. S. Poryvaev, D. M. Polyukhov, M. V. Fedin // Mitigation of Pressure-Induced Amorphization in Metal–Organic Framework ZIF-8 upon EPR Control // ACS Appl. Mater. Interfaces 12 (2020) 16655-16661. IF = 8.758
15 декабря 2020г.
В метаболомике с помощью метода высокоэффективной жидкостной хроматографии с масс-спектрометрическим детектированием (ВЭЖХ-МС) анализируется больше разнообразие метаболитов в биологических тканях или жидкостях: количество метаболитов исчисляется сотнями и даже тысячами. Анализ таких данных вручную сильно затруднён, поэтому обычно для анализа ВЭЖХ-МС данных прибегают к автоматизации с использованием специализированных алгоритмов. К сожалению, надежность и точность современных алгоритмов недостаточно высока, по некоторым оценкам доля ложных сигналов может достигать 20-50%. В нашей лаборатории был впервые реализован алгоритм обработки ВЭЖХ-МС данных, основанный на принципах анализа «больших данных» (BigData) с использованием современных методов машинного обучения – нейронных сетей. Использование нейросетей (CNN) позволило существенно увеличить надежность и точность нахождения и интегрирования пиков, и достигнуть качества, при котором доля ложных сигналов не превышает 5%.
Работа опубликована: Melnikov, A.D.; Tsentalovich, Yu.P.; Yanshole V.V. Deep Learning for the Precise Peak Detection in High-Resolution LC−MS Data. Analytical Chemistry, 2020, 92, 1, 588-592. DOI: 10.1021/acs.analchem.9b04811)
6 октября 2020г.
Гибкие металл-органические каркасы (MOF) демонстрируют множество свойств, привлекательных для фундаментальной и прикладной науки. DUT-49(Cu) - один из ярких представителей таких MOF, в которых фазовые переходы сопряжены с усилением давления и «отрицательной адсорбцией газа». В работе сотрудников МТЦ (в кооперации с коллегами из Дрезденского Технологического Университета, Германия) с помощью in situ ЭПР исследованы структурные переходы DUT-49(Cu) при физисорбции и хемосорбции газов и летучих жидкостей. Фазовые переходы детектировались по расщеплению в нулевом поле в димерных комплексах меди(II). В первую очередь, новый подход был апробирован на физисорбции n-бутана. Затем, используя диэтиловый эфир, мы впервые продемонстрировали, что хемосорбция также может индуцировать полностью обратимый фазовый переход в DUT-49(Cu). Разработанный подход ЭПР также может быть применен к другим гибким MOF, содержащим димерные комплексы меди, а высокая чувствительность и спектральное разрешение позволяют проводить in situ исследования структурной вариабильности под воздействием различных стимулов.
По результатам работы опубликована статья: doi: 10.1021/acs.jpclett.0c01705
D. M. Polyukhov, S. Krause, V. Bon, A. S. Poryvaev, S. Kaskel, M. V. Fedin // Structural Transitions of the Metal−Organic Framework DUT-49(Cu) upon Physi- and Chemisorption Studied by in Situ Electron Paramagnetic Resonance Spectroscopy // J. Phys. Chem. Lett. 11 (2020) 5856-5862. IF = 6.71
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.
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 HEWL;
Тип Iб: реакции между супероксидом O2˙− и HEWL.
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:
|
|
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:
|
|
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
