Замена токсичных химических компонентов нетоксичными и биосовместимыми природными аналогами является одним из самых популярных подходов в проектах по устойчивому развитию. Исследование, проведенное в Институте органической химии им. Н.Д. Зелинского Российской академии наук (Москва), показало, что замена части химического вещества природным аналогом может не только не дать полезного эффекта, но и повысить токсичность. Опубликованная в журнале Toxicology Research статья описывает повышение токсичности ионных жидкостей, после введения в их состав аминокислот.
Концепция устойчивого развития в химии включает замену токсичных химических компонентов на биосовместимые аналоги с целью создания экологически безопасных материалов и технологий.
XXI век сформулировал новый вызов для науки – идею устойчивого развития, с помощью которой человечество стремится достичь таких благородных целей, как создание нового поколения химических технологий и экологически чистых материалов.
Химия принадлежит к тем наукам, для которых концепция нетоксичного и безотходного производства имеет первостепенное значение. Принципы «зеленой» химии и устойчивого развития оказали значительное влияние на химические исследования и разработки. Согласно этим принципам, вещества должны быть биоразлагаемыми и нетоксичными. Как известно, химикаты обычно токсичны, бионесовместимы и представляют опасность для окружающей среды. Поскольку правильно подобранные природные компоненты биосовместимы и нетоксичны, в последнее время химики предпринимают многочисленные попытки заменить токсичные вещества соответствующими природными аналогами. Иногда замена всего одного компонента действительно повышает биосовместимость и снижает вредоносное воздействие химического вещества или материала.
Вышеупомянутый подход был исследован для создания биосовместимых ионных жидкостей. Ионные жидкости, которые также называют ионными расплавами, – это органические соли, находящиеся в жидком состоянии при температурах ниже 100ºC. Присущая ионным жидкостям пространственная наноструктурированность придает им уникальные особенности. Одной из таких особенностей является возможность «тонкой настройки»: каждая ионная жидкость состоит из катиона и аниона, и путем их варьирования, параллельного или последовательного, можно менять определенные свойства ионной жидкости.
Будучи нелетучими и негорючими, ионные жидкости стали хорошей альтернативой традиционным летучим и горючим органическим растворителям и нашли применение в разнообразных областях современной химии и технологии. Например, таких как органический синтез, катализ, электрохимия, переработка топлива и др. Ионные жидкости проявляют заметную биологическую активность, и на данный момент известно, что они воздействуют на живые объекты всех уровней организации, от отдельных биомолекул до целых экосистем.
Работа, выполненная учеными из Института органической химии им. Н.Д. Зелинского, посвящена исследованию активности недавно созданного класса ионных жидкостей на основе аминокислот. В соответствии с вышеупомянутым принципом устойчивого развития, считалось, что введение природного компонента (например, аминокислоты) в ионную жидкость понизит токсичность последней и позволит создать химическое вещество, представляющее меньшую опасность для окружающей среды.
Исследователи заменили катион и анион известной ионной жидкости [BMIM][BF4] на природную кислоту валин и получили две модифицированные ионные жидкости: [BMIM][Val] (с остатком валина в качестве аниона) и [Val-OMe][BF4] (с остатком валина в качестве катиона). Как и ожидалось, [BMIM][Val] оказалась менее токсичной, чем исходная [BMIM][BF4] (см. рис. 1). Однако [Val-OMe][BF4] продемонстрировала неожиданно высокую токсичность: замена химического компонента [BMIM]+ природным катионом на основе валина дала значительно более токсичный ионный продукт.
Рис. 1. Введение аминокислоты в состав ионной жидкости может помочь в достижении желаемой цели – снижения токсичности. Однако в некоторых случаях это приводит к противоположному эффекту и значительно повышает токсичность. (IC50 – концентрация полумаксимального ингибирования; чем ниже ее значение, тем выше токсичность вещества.)
Авторы изучили серию традиционных и аминокислотных ионных жидкостей и показали, что ионные жидкости, несущие катионы или анионы на основе аминокислот глицина, аланина и валина, в целом проявляли цитотоксичность сравнимую с цитотоксичностью традиционных имидазолиевых ионных жидкостей с неорганическими или небольшими органическими анионами (рис. 2). В случае некоторых ионных систем введение фрагмента природной аминокислоты привело к росту токсичности.
Рис. 2. Сравнительная шкала цитотоксичности традиционных и аминокислотных ионных жидкостей.
Возможный механизм токсичного действия таких аминокислотных ионных жидкостей может заключаться во взаимодействии с мембранными белками-переносчиками, которые клетки используют для доставки аминокислот из окружающей среды. Аминокислота, безвредная сама по себе, в составе ионной жидкости способствует проникновению в клетку биологически активного/токсичного вещества, которое вызывает апоптоз, или запрограммированную клеточную смерть. Несмотря на то, что исходная цель исследования – создание нетоксичных ионных жидкостей – не была достигнута, полученные результаты позволяют задуматься о потенциальном применении аминокислотных ионных жидкостей в биологии и медицине, например, для направленной доставки лекарств с использованием «настраиваемых» свойств ионных жидкостей.
По словам руководителя работ профессора Ананикова: «Токсичность и экологическая активность ионных жидкостей сейчас является популярным предметом исследований. Современные исследования делают акцент на том, что достижение выдающихся химических свойств наряду с высокой экологической совместимостью – очень сложное, но неизбежное направление целенаправленной оптимизации».
Токсикологическое исследование: "Unexpected increase of toxicity of amino acid-containing ionic liquids", by Egorova K. S., Seitkalieva M. M., Posvyatenko A. V., and Ananikov V. P. has been published in Toxicology Research (Royal Society of Chemistry).
Ссылка: Toxicol. Res., 2015, 4, 152-159, DOI: 10.1039/C4TX00079J
Веб-ссылка: http://dx.doi.org/10.1039/C4TX00079J
Обзор по целенаправленной оптимизации, упомянутый в комментарии:
Egorova K. S., Ananikov V. P., "Toxicity of Ionic Liquids: Eco(cyto)activity as Complicated, but Unavoidable Parameter for Task-Specific Optimization", ChemSusChem, 2014, 7, 336-360. DOI: 10.1002/cssc.201300459; веб-ссылка: http://dx.doi.org/10.1002/cssc.201300459
