XXXX год. Сижу в комнате за столом, освещаемым неярким светом лампы. Время за полночь, а еще нужно успеть написать заметку об одном из ученых. Ну не люблю я об этом писать! И ни за что бы не взялся за эту тему, но моей коллеге понадобилось срочно куда-то уехать и наш Босс перепоручил это задание мне. Уныло смотрю на диктофон и заставляю дослушать себя интервью, взятое не мной. Хоть на этом спасибо! Жму на кнопку.
… - И это последний вопрос… а что Вы можете рассказать о самом начале, об истории создания этого невероятного препарата, который сейчас называют «живой водой»? И, если Вам не сложно, можете это объяснить, грубо говоря, «на пальцах»? Боюсь, что круг наших читателей не совсем знаком со спецификой данной работы…
- Да, конечно. Правда, думаю, что разложить все это прямо сейчас по полочкам будет несколько затруднительно, слишком много произошло с тех пор. Хотя, постойте-ка! Помнится, я вел лабораторный журнал и это мне казалось несколько скучным, поэтому я начал писать еще и дневник, в котором пытался все оформить более красочно и с фантазией, представляя себя неким волшебником, объясняющим заинтересованным слушателям всю магию действа. Сейчас я его найду. – диктофон замолчал, видимо, профессор отправился на поиски – Вот он, надеюсь, Вам будет интересно почитать и это ответит на все Ваши вопросы.
- Спасибо за интересное интервью, надеюсь, до новых встреч. – Тут диктофон умолк окончательно. Где же эта тетрадь? А, вот она! Открываю первую страницу в ожидании тысячи непонятных формул…
***
На дворе 2011 год. Внушаемая нам с детства любимыми героями мысль о вечно цветущем виде и бессмертии начала обретать смысл. Молодильные яблоки не кажутся уже такой сверхзадачей. Воплотились ведь в жизнь кажущиеся невероятными замыслы Жюля Верна. Бороздят космические просторы тысячи спутников, люди осваивают новые планеты. А это казалось просто красивой выдумкой! Косметология, несмотря на захватывающую дух рекламу, могла ненадолго подарить желаемое, но с каждым разом требуется все больше и больше подношений этому ненасытному божеству. Многие бьются над этой проблемой. Непросто изобрести кипящий чан, искупавшись в котором можно стать молодым и привлекательным, либо сотворить мертвую или живую воду. Интересные идеи поступают и от биологов, и от химиков, и от материаловедов. Хочется отметить, что весь этот ажиотаж связан с тем, что у человечества появилась некая волшебная палочка, открывшая, что одно и то же вещество на разных уровнях обладает разными свойствами. И называется она – НАНОТЕХНОЛОГИЯ. Неожиданно на арене появляется интересное соединение, обладающее рядом удивительных свойств… Это диоксид церия.
Данное вещество привлекало ученых уже давно из-за своих уникальных качеств, но теперь на них взглянули под совсем другим углом. О чем же идет речь? Оказывается, что CeO2 по мановению волшебной палочки в наносостоянии обладает значительной кислородной нестехиометрией (отклонение количественного соотношения между церием и кислородом). Формально это значит, что химическая формула CeO2 не совсем верна, а корректнее писать CeO2-δ. Чтобы было нагляднее…помните сказку П.П. Ершова «Конек-горбунок?» Так вот, был там такой персонаж как Чудо-юдо Рыба-кит. Тело этой рыбины, как постоянная величина, – наш CeO2, а вот шкура, покрытая недолговечными домами и лесами, которые можно представить в виде кислородных анионов, близка к Ce2O3. Вот и получается, что целиком рыба-кит - это CeO2-δ. А что же дает нам эта кислородная нестехиометрия? Оказывается, что благодаря этому свойству наночастицы диоксида церия могут выступать в качестве антиоксиданта, причем, чем меньше размер частиц, тем выше их сила. Антиоксидант, обнадеживающее слово, не правда ли? Сейчас оно особенно на слуху, благодаря постоянной рекламе различных чаев.
«Чудо-юдо CeO2-кит»
С появлением претендента перед исследователями сразу встает множество вопросов. Каким оптимальным путем синтезировать частицы? Как улучшить их свойства? В каком состоянии должен находиться продукт: в твердом, жидком? И самый главный – а не является ли этот антиоксидант отравой, вместо того, чтобы служить противоядием? И это только начало. Итак, а теперь по порядку. Первое, с чем определились исследователи – это в каком виде должен находиться препарат. Было решено синтезировать ЗОЛИ диоксида церия. На первый взгляд, золь ничем не отличается от обычных растворов. Однако, стоит посветить сквозь стакан лазерной указкой и можно увидеть яркий луч. Это так называемый эффект Тиндаля, основанный на рассеянии света на мельчайших частицах, плавающих в растворе. Такие системы отличаются высокой стабильностью и поэтому их легко спутать с настоящими растворами. Так почему же именно золь? Во-первых, как было отмечено, такая система является стабильной; а во-вторых, вводить в организм жидкость, согласитесь, гораздо проще, чем порошок, ведь жидкость проще дозировать.
«Эффект Тиндаля»
Следующий пункт нашей программы – как добиться стабильности? Логично предположить, что частицы нужно чем-то стабилизировать. Очевидно, что раз мы в будущем будем иметь дело с живой системой, нужно выбирать биологически совместимый стабилизатор. Таких немало… Решаем взять лимонную кислоту. Она, как вы догадываетесь, безопасна для организма, и с промышленной точки зрения является легко доступной. Принцип работы данного стабилизатора: цитрат-ионы покрывают всю поверхность частицы, не давая соседним частицам слипнуться.
И вот наконец-то пришло время синтеза. Смешиваем нитрат церия (III), лимонную кислоту и водный раствор аммиака в определенных пропорциях. Но, как в любом эксперименте, мало получить нечто, нужно еще существование этого нечто доказать и его охарактеризовать. И тут нам на помощь приходят джинны с узкой специализацией, или золотые рыбки, выполняющие наши желания. Знакомьтесь, УФ-видимая спектроскопия, рентгенофазовый анализ, просвечивающая электронная спектроскопия, метод динамического светорассеяния. Они позволяют больше узнать о нашем веществе, выяснить всю его подноготную.
«Руки вверх! Это стабилизация»
Во-первых, нам нужно удостовериться в том, что мы получили именно то, что хотели. Для этого подходит УФ-видимая спектроскопия, но, как и от ее сестер, добиться от нее ответа не так то просто. Видимо, наши джинны когда-то пересеклись со сфинксом… После некоторых махинаций, связанных с подготовкой образца и долгих уговоров прибора, вы получите ответ в виде загадки, которую еще нужно расшифровать. В данном случае это некий спектр, показывающий, как исследуемый раствор поглощает свет с разными длинами волн. В зависимости от того, на какой длине волны происходит поглощение, можно сделать вывод о том, какое вещество находится в растворе. В нашем случае эта длина волны равна 400 нм, что как раз указывает на образование диоксида церия. Чтобы узнать, что происходит с золем в течение синтеза, проводим еще серию «обращений к золотой рыбке». Расшифровка спектров показывает, что образование наночастиц CeO2-δ завершается через несколько часов с начала синтеза.
Загадки от джиннов: A) УФ-видимая спектроскопия; Б) Просвечивающая электронная микроскопия;В) Рентгенофазовый анализ; Г) Метод динамического светорассеяния.
Следующий джинн, к кому мы направляемся за помощью – это рентгенофазовый анализ. Он определяет структуру вещества. Полученная и отгаданная загадка говорит о том, что наше вещество – действительно диоксид церия.
Наш другой советник – это просвечивающая электронная микроскопия. Любите фотографировать? Да – вы наткнулись на свою единомышленницу, только ее объектив видит то, что недоступно человеческому глазу и самому мощному оптическому микроскопу. На память о встрече с ней у вас останется много памятных фотографий, рассматривая и анализируя которые можно узнать о форме и размере частиц, находящихся в растворе. Оказывается, что наш золь состоит из частиц, имеющих форму близкую к сферической, с размером около 2 нм. Для сравнения: диаметр пылинок, летающих по комнате, в 10000 раз больше!
И еще один наш друг – это метод динамического светорассеяния. Он рассказывает нам о такой интересной величине, как гидродинамический радиус. Это тоже размер наших частиц, но с учетом покрывающей их стабилизирующей оболочки. Он составил примерно 2.3 нм. Получается, что значение гидродинамического радиуса практически не отличается от размеров самой частицы. Отсюда можно сделать вывод о том, что присутствие цитратной оболочки практически не сказывается на размере частицы. Более того, такое маленькое значение гидродинамического радиуса говорит о том, что частицы диоксида церия не спешат подружиться и находятся в золе обособленно друг от друга. А это очень хорошо, ведь именно такая система может очень долго оставаться стабильной.
А теперь самое интересное! Первый маленький шаг на пути к успеху. Нужно узнать, какое действие оказывает полученный золь на живую систему. Будем начинать с клеток и в зависимости от результатов разрабатывать дальнейший план действий. Однако, прежде чем начать, нужно проделать некоторые подготовительные процедуры. Наш золь является токсичным из-за присутствия нитрат-ионов, оставшихся от исходных веществ. Поэтому нужно его сначала очистить. Для этого золь сначала подкисляют, доводя его до обморочного состояния, промывают, а затем приводят в чувство, как и человека, с помощью нашатырного спирта. При такой операции, однако, могут наблюдаться и побочные эффекты: из-за очищения частично удаляются цитрат-ионы с поверхности наночастиц и, следовательно, золь быстрее теряет свою стабильность.
«Золь в обморочном состоянии» - а), «Реанимированный золь» - б)
Наш другой советник – это просвечивающая электронная микроскопия. Любите фотографировать? Да – вы наткнулись на свою единомышленницу, только ее объектив видит то, что недоступно человеческому глазу и самому мощному оптическому микроскопу. На память о встрече с ней у вас останется много памятных фотографий, рассматривая и анализируя которые можно узнать о форме и размере частиц, находящихся в растворе. Оказывается, что наш золь состоит из частиц, имеющих форму близкую к сферической, с размером около 2 нм. Для сравнения: диаметр пылинок, летающих по комнате, в 10000 раз больше!
И еще один наш друг – это метод динамического светорассеяния. Он рассказывает нам о такой интересной величине, как гидродинамический радиус. Это тоже размер наших частиц, но с учетом покрывающей их стабилизирующей оболочки. Он составил примерно 2.3 нм. Получается, что значение гидродинамического радиуса практически не отличается от размеров самой частицы. Отсюда можно сделать вывод о том, что присутствие цитратной оболочки практически не сказывается на размере частицы. Более того, такое маленькое значение гидродинамического радиуса говорит о том, что частицы диоксида церия не спешат подружиться и находятся в золе обособленно друг от друга. А это очень хорошо, ведь именно такая система может очень долго оставаться стабильной.
А теперь самое интересное! Первый маленький шаг на пути к успеху. Нужно узнать, какое действие оказывает полученный золь на живую систему. Будем начинать с клеток и в зависимости от результатов разрабатывать дальнейший план действий. Однако, прежде чем начать, нужно проделать некоторые подготовительные процедуры. Наш золь является токсичным из-за присутствия нитрат-ионов, оставшихся от исходных веществ. Поэтому нужно его сначала очистить. Для этого золь сначала подкисляют, доводя его до обморочного состояния, промывают, а затем приводят в чувство, как и человека, с помощью нашатырного спирта. При такой операции, однако, могут наблюдаться и побочные эффекты: из-за очищения частично удаляются цитрат-ионы с поверхности наночастиц и, следовательно, золь быстрее теряет свою стабильность.
А теперь можно и клетками заняться. Если не вдаваться в экспериментальные подробности, то тест на биосовместимость заключается в следующем: клетки соединительной ткани человека (под кодовым названием «NCTC clone L929») в специальных условиях выдерживают в той среде, которая подходит для их нормальной жизнедеятельности, а затем ее заменяют похожим раствором, но уже с добавлением золя диоксида церия. Далее клетки инкубируют в течение нескольких суток, а жизнеспособность оценивают с помощью флуоресцентных красителей. Но нельзя сделать правильные выводы без анализа контрольного образца – клеток, культивируемых в среде без золя CeO2-δ. Только сравнивая их поведение с нашими испытуемыми, можно понять, есть ли негативное влияние от добавления золя в систему или нет. Наконец-то пришло время узнать, верны ли были предположения о нетоксичности золей диоксида церия. Итак, господа, что же в черном ящике? А в черном ящике – дальнейшие исследования, так как полученные результаты обнадеживают – в широком диапазоне концентраций (от 10-6 до 10-11 М) золи не являются токсичными. Однако, при более высоких значениях, нашим подопытным становится несладко. Вероятно, клетки все-таки не гибнут, но у них появляется сильная одышка и затрудняется дыхание.
Согласитесь, одного метода исследования в таком деликатном вопросе маловато. И тут мы обращаемся за помощью к сестрице просвечивающей электронной микроскопии – растровой электронной микроскопии. Она тоже увлекается фотографией, но с 3D-эффектами. На картинках, полученных ею, вы увидите рельефные изображения клеток и сможете представить все в полном объеме. Но, чтобы подготовить клетки к такой фотосъемке приходится немало потрудиться. После соответствующих церемоний и расшаркиваний, клетки готовы к фотосессии. Теперь ждем, когда фотограф закончит свою работу. Полученные изображения радуют глаз. Даже при самой высокой из исследуемых концентраций наночастиц CeO2-δ (10–3) не происходит негативных изменений во внешнем виде клеток, да и их богатый внутренний мир, надо думать, тоже в порядке. Как в контрольном образце, так и в образцах с золем, клетки имеют хорошо развитую мембрану, при этом нет клеток с разрушенными мембранами. Это говорит об отсутствии жертв среди испытуемых.
Пока что результаты радуют, ведь полученные золи не оказывают токсического воздействия на клетки, не приводят к изменению их структуры, хотя при высоких концентрациях могут снижать их работоспособность. Однако, впереди еще много работы…
Протираю уставшие глаза. Да, кажется, начинаю понимать. В голове понемногу складывается картинка, как подать этот материал. Пролистываю тетрадь – до конца еще довольно далеко. На время можно не смотреть, чувствую, что скоро можно будет и не ложиться. Ладно, еще пару страничек и спать…
Двигаемся дальше - переходим к бактериям с загадочным названием Vibrio fischeri и всеми любимой кишечной палочке Escherichia сoli. Для испытаний используем золи, приготовленные по немного другой методике. Предварительно проводим их полную аттестацию. Все наши джинны сходятся во мнении, что два новых золя действительно представляют собой золи диоксида церия, однако размер частиц в них несколько различается – около 2.7 и 3.2 нм.
Vibrio fischeri – это морские микроорганизмы, способные к люминесценции. В общих словах, наш эксперимент по определению токсичности заключается в следующем: проверить, изменится ли яркость их свечения при контакте с диоксидом церия. Еслилюминесценция уменьшится, следовательно, этим крохам неуютно в предоставленных условиях. Снова предварительно очищаем золи от зловредных ионов, но этого мало! Как уже упоминалось, Vibrio fischeri - морские обитатели, поэтому им нужна среда, напоминающая морскую, т.е. слегка соленая. Для этого добавляем к золям рассчитанное количество обыкновенной поваренной соли. Теперь начинаем готовить бактерии к испытаниям. Сначала их нужно аккуратно разбудить, так как они находятся в анабиозе, подобно астронавтам, бороздящим космические просторы. Реанимировав их со всей осторожностью, начинаем проводить измерения. Контрольный образец представляет собой раствор соленой воды.
«Целительные процедуры»
После первых 20 минут эксперимента замечаем, что интенсивность люминесценции в контрольном образце достаточно сильно упала. В то же время в экспериментах с золями не происходит дополнительного снижения активности бактерий. Более того, складывается впечатление, что они даже сильнее «разгораются». Из чисто научного интереса решаем проверить влияние цитрат-ионов на наших крох. Результат неожиданный, появляются жертвы среди бактерий, интенсивность люминесценции очень быстро падает. Такое развитие событий может быть связано с тем, что в растворе лимонной кислоты цитрат-ионы находятся в свободном состоянии и ведут себя агрессивно, в то время как в золях они держатся за поверхность частиц и, находясь под их присмотром, настроены более благодушно.
Наши другие испытатели – бактерии Escherichia сoli. Они тоже светятся в темноте, но уже в результате генного вмешательства. Escherichia сoli не являются морскими обитателями, поэтому работать с ними несколько проще. Конечно, сначала их тоже нужно пробудить к жизни. Едва они протерли свои глазки, начинаем эксперимент. В качестве контрольного образца выступает обыкновенная дистиллированная вода. Сделав некоторые пассы руками, начинаем фиксировать показания прибора. Наконец, удовлетворяем разыгравшееся любопытство исследованием токсичности цитрата аммония.
Оказывается, интенсивность люминесценции этих неприхотливых бактерий в дистиллированной воде резко снижается в соответствии с экспоненциальным законом. А в золях диоксида церия она снижается примерно в 2 раза медленнее. И это успех! Не повезло тем, кто был в контрольной серии, но еще больше тем, кто плавал в растворе цитрата аммония.
Таким образом, мы не обнаружили негативного влияния золей на микроорганизмы Vibrio fischeri и Escherichia Coli. Можно переходить на следующий уровень, которых еще великое множество.
***
Лампа на столе начинает беспокойно мигать. Вынырнув из своих мыслей, бросаю взгляд на часы. Определенно, на сегодня нужно заканчивать. Выключаю свет и, блаженно вздохнув, укладываюсь спать. На столе белеет раскрытая и пока недочитанная тетрадь…
