Результаты работы, проведенной под руководством профессора Кацунори Танака, главного научного сотрудника института РИКЕН (Япония) и лаборатории биофункциональной химии Химического института им. А. М. Бутлерова КФУ, опубликованы в Nature Catalysis.

Новая система доставки основана на комбинации искусственного металлофермента, который защищает металлический катализатор, и углеводной цепи, направляющей металлофермент к целевым клеткам.

Сегодня в области синтетической органической химии разработано большое число металлических катализаторов, используемых для синтеза самых различных и практически важных соединений, таких как лекарства и функциональные материалы. В последнее время большой интерес вызывает проведение химических реакций, катализируемых переходными металлами в живом организме. Однако катализаторы на основе переходных металлов легко дезактивируются такими веществами, как антиоксиданты, поэтому проведение подобного рода металл-катализируемых реакций в реальных живых организмах затруднительно.

Коллектив сотрудников RIKEN и КФУ разработал искусственный металлофермент, содержащий ион металла и способный предотвратить его от дезактивации, что делает возможным проведение химической реакции in vivo. В этой системе металлом явился рутений – химический элемент, открытый профессором Казанского университета Карлом Клаусом и названный в честь России.

Для справки. Профессор Казанского университета Карл Клаус открыл химический элемент рутений в 1844 г. Это единственный природный химический элемент, открытый в России. Интересно, что рутений уже не в первый раз «связывает» ученых КФУ и РИКЕН. Экс-президент РИКЕН, Почетный доктор Казанского университета профессор Рёдзи Ноёри, получил Нобелевскую премию по химии в 2001 г. за асимметрические реакции гидрирования с использованием рутениевого комплекса как катализатора. Ведущий научный холдинг РИКЕН является одним из ключевых партнеров КФУ в Японии и специализируется на исследованиях в различных областях науки: от физики, химии и биологии до медицины, инженерии и компьютерной техники. 

Так, рутениевый комплекс катализировал превращение пролекарства в умбреллипренин – природное соединение, обладающее противоопухолевой активностью. Кроме того, введение на поверхность искусственного металлофермента фрагмента N-гликана в качестве «метки доставки» позволило провести адресную доставку лекарства в раковые клетки.

Группа работала с человеческим сывороточным альбумином – белком, содержащимся в крови человека. Исследователи ввели рутениевый катализатор в гидрофобную полость белка и обнаружили способность рутения катализировать химические реакции in vivo.

«Мы были приятно удивлены тем, что разработанный нами новый металлофермент хорошо работал в присутствии глутатиона – антиоксиданта, который в изобилии присутствует в реальных клетках и может дезактивировать рутений, – говорит профессор Танака. – Это указывает на то, что рутениевый катализатор хорошо защищен от гидрофильных молекул, таких как глутатион, в гидрофобной полости альбумина, тогда как гидрофобные соединения могут реагировать с катализатором в полости».

Далее исследователи модифицировали поверхность альбумина, присоединив углеводные цепи (N-гликаны), благодаря которым происходит распознавание конкретных типов клеток и транспорт к ним всей системы доставки. Таким образом, удалось успешно осуществить доставку катализатора к раковым клеткам и использовать его в синтезе умбеллипренина, оказывающего цитотоксическое действие на раковые клетки.

«Мы подтвердили возможность использования искусственного металлофермента in vivo, при этом разработанный нами метод может быть применен к металл-катализируемым реакциям с использованием и других катализаторов, например, на основе золота, – добавляет Кацунори Танака. – Если катализ на основе комплексов переходных металлов можно осуществить на определенных органах или пораженных клетках организма, это позволит нам быстро и целенаправленно синтезировать лекарства на месте, сводя к минимуму побочные эффекты».

Для справки. Впервые КФУ и RIKEN начали совместную работу в 2002 году, когда профессор КФУ Дмитрий Альбертович Таюрский (в настоящее время куратор сотрудничества КФУ-Япония) впервые посетил только что созданный Центр нанотехнологий RIKEN и лабораторию физики низких температур профессора Коно, с которым имел давние научные контакты и на семинарах которого в Токийском университете не раз выступал.

В дальнейшем, при содействии и поддержке ректора КФУ Ильшата Рафкатовича Гафурова, контакты перешли на постоянную основу. В октябре 2010 года было подписано Соглашение о научном сотрудничестве между Институтом физики КФУ и Институтом передовых наук (Advance Science Institute), входящим в состав РИКЕН, а также соглашение об организации в Институте физики КФУ совместной лаборатории.

В 2014 году КФУ и RIKEN начали совместно развивать исследования в области химических наук, благодаря открытию лаборатории биофункциональной химии, где проводятся комплексные исследования в области направленного органического синтеза, изучения химических, биологических и значимых с медицинской точки зрения свойств эффективных биофункциональных соединений для биологических исследований и терапевтических приложений.

Масштабная исследовательская работа совместно с RIKEN ведется и в области биомедицины, генной инженерии. В 2015 г. создана совместная лаборатория КФУ - RIKEN «Функциональная геномика», основной фокус которой – трансляционные биомедицинские исследования с привлечением высокопроизводительного секвенирования в области онкогенетики и фармакогенетики для поиска новых перспективных диагностических решений по оптимизации терапии. Кроме того, с октября 2015 года на базе RIKEN запущена совместная российско-японская разработка систем репетиций хирургических операций на основе реконструкции особенностей пациентов по данным МРТ. Это стало возможным благодаря подписанному Меморандуму о взаимопонимании между КФУ, RIKEN и Университетом Джунтендо, а также Меморандуму о намерениях сотрудничества между Казанским федеральным университетом, RIKEN и Республиканским клиническим онкологическим диспансером (2014 г.).

В мае 2016 года в ходе визита представителей КФУ в РИКЕН было подписано Соглашение о стратегическом партнерстве. Взаимодействие научно-образовательных центров двух стран позволяет активизировать научные контакты, существенно поднять уровень совместных передовых исследований и вывести на мировой уровень новые имена ученых. В конце 2016 года при поддержке Республики Татарстан был создан совместный академический юнит РИКЕН-КФУ в кампусе института РИКЕН в г. Йокогама.

В октябре 2019 года действие Меморандума о взаимопонимании между институтом RIKEN (Япония) и Казанским федеральным университетом было продлено в целях развития партнерских отношений в области органической химии, а также расширения и укрепления научного сотрудничества и академических обменов в рамках созданной в 2014 году совместной научно-исследовательской лаборатории КФУ – RIKEN «Лаборатория биофункциональной химии».