КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер проекта 25-73-00100
НазваниеРазработка технологии магнитомеханического управления структурой наноразмерных молекулярных систем
Руководитель Никитин Алексей Андреевич, Кандидат химических наук
Организация финансирования, регион Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСИС" , г Москва
Конкурс №110 - Конкурс 2025 года «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными, приоритетного направления деятельности Российского научного фонда «Поддержка молодых ученых»
Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах; 03-601 - Химия новых неорганических функциональных и наноразмерных материалов
Ключевые слова магнитные наночастицы, магнитные поля, магнитомеханика, молекулярные машины, белки, рецепторы, лиганды, молекулярные системы
Код ГРНТИ34.57.21
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Многие типы как приобретенных, так и врожденных заболеваний связаны с нарушением регуляции биохимических процессов на молекулярном уровне, вызванных, в том числе, дисфункцией различных ферментов и белков, которые переходят со временем в иное структурное состояние с изменением их активности. Точный контроль структуры наноразмерных молекулярных систем несет в себе фундаментальное и практическое значение для биофизики, химии, биологии и медицины. Так, идея прецизионного управления молекулами, в том числе белковыми, послужила основой к созданию молекулярных машин, которые разрабатывались и изучались на протяжении последних 60 лет. Под термином «молекулярные машины» понимаются наноразмерные структуры, компоненты которых могут перемещаться относительно друг друга (переключаться) контролируемым образом в ответ на внешние стимулы, т.е. переходить обратимо из одного состояния в другое. В широком смысле, уровни структурной организации молекулярных машин могут варьироваться, от простых молекул (азобензол, стильбен) до сложных надмолекулярных структур, таких как взаимодействия на уровне лиганд-рецептор. Так, например, в белковых молекулах одним из самых распространенных механизмов переключения являются именно структурные изменения, которые могут проходить как на локальном уровне, так и в “масштабе”, когда происходит изменение всей вторичной структуры белка (фолдинг). Такого рода переходы могут приводить к активации/инактивации ферментов и клеточных рецепторов, связанных с G-белками.
В настоящее время, активация и дистанционное управление наносистемами осуществляется за счет приобретаемой такими системами энергии, например, энергии света, тепловой энергии, энергии химических реакций или энергии ультразвука. Однако каждый из этих подходов обладает высокой инвазивностью и имеет ряд пространственных, временных и инструментальных ограничений. Таким образом, для каждого типа наносистем требуется подбор своих собственных условий активации, что, по сути, исключает возможность взаимного транслирования экспериментов. В связи с этим, разработка эффективного и универсального способа передачи энергии на примере различных типов наноразмерных молекулярных систем представляется крайне актуальной задачей современной науки.
Одним из таких подходов может выступить магнитомеханика, на разработку и апробацию которого направлен данный проект. В отличие от других методов дистанционного неинвазивного управления наноразмерными молекулярными системами, магнитомеханический подход только развивается. В основе этого подхода лежат принципы преобразования энергии низкочастотных (<1 кГц) магнитных полей в механическую энергию при помощи специальных приводов – магнитных наночастиц, размер ядер которых сопоставим с размерами белков (человеческий сывороточный глобулин, иммуноглобулины) и внутриклеточных компартментов. Главное преимущество низкочастотных магнитных полей – неограниченная глубина проникновения в ткани, минимальная инвазивность и отсутствие побочных эффектов. Сами по себе биомолекулы практически не восприимчивы к низкочастотным магнитным полям. Однако, конъюгируя их с магнитными наночастицами, можно вызывать контролируемые деформации таких молекул, тем самым управляя их каталитической и биологической активностью в любой области, к которой приложено магнитное поле. При этом ранее нами уже было показано, что величину механических сил и энергии магнитомеханического эффекта можно контролировать, изменяя размер и форму магнитных ядер наночастиц, их фазовый состав, а также параметры внешних магнитных полей. Несмотря на то, что в научной литературе уже представлены работы по использованию магнитомеханического подхода для активации ионных каналов клеточных мембран, контроле активности клеточных рецепторов и терапии рака, до сих пор нет никаких упоминаний об использовании такого подхода в контролируемом управлении наноразмерными молекулярными системами, обладающими функциональными свойствами в определенном состоянии.
Ожидаемые результаты
Впервые будут получены экспериментальные данные о способности магнитных наночастиц выступать в роли переносчиков энергии низкочастотного магнитного поля для активации и изменения структуры наноразмерных молекулярных систем с различным уровнем организации. Будет установлено влияние размера магнитного ядра наночастиц на опосредуемый ими эффект на примере молекул азобензолов, белков и комплексов лиганд-ионотропный рецептор. Будет выявлено влияние параметров и конфигураций магнитных полей на эффективность переключения наноразмерных молекулярных систем и показано, что магнитомеханический подход может быть конкурентоспособным другим методам неинвазивной активации таких систем. Полученные результаты могут быть применены в дальнейшем в различных научных и прикладных исследованиях для создания систем молекулярной диагностики на основе магнитных наночастиц, что позволит обойти ограничения существующих методов управления биохимическими процессами, использующихся в нейробиологии и медицине (активация светом, ультразвуковым, электромагнитным и тепловым излучением).