Исследователи из Техниона и Национального университета Тайваня разработали полые наноразмерные сферы, которые можно использовать для доставки лекарств и безопасной вакцинации.
Эти полые фуллерены созданы на основе химической мимикрии природных вирусов. Исследование стало результатом совместной работы профессора Эхуда Кейнана и доктора Эфрат Солель (химический факультет Техниона) и их тайваньских коллег во главе с профессором Ю Шен Ченом и было опубликовано в журнале Nature Communication.
Сферические тела встречаются как в органической, так и неорганической природе. Они формируются из 12 пятиугольников (пентагонов), которые создают замкнутые многогранники – додекаэдры. На молекулярном уровне такие многогранники получили название фуллеренов, состоящих из 60 молекул аллотропных форм углерода. Своим названием фуллерены обязаны инженеру и архитектору Ричарду Бакминстеру Фуллеру, чьи геодезические конструкции построены по этому принципу. В повседневной жизни форму фуллерена легко представить на примере футбольного мяча.
В естественной среде вирусы используют эту конструкцию для строительства собственных оболочек с внешним диаметром от 15 до 500 нанометр. По словам профессора Кейнана, эти оболочки строятся из белковых элементов, которые самопроизвольно срастаются при определенных условиях и разрушаются при изменении этих условий. Таким образом создается жизненный цикл вирусов. Эти вирусные оболочки преподают нам важный урок построения искусственных сферических тел.
«Химическая имитация» вирусов имеет множество потенциальных применений. Речь идет о своего рода «упаковке» и впоследствии транспортировке лекарственных препаратов (или иных веществ) в нужные «пункты назначения» органических тел; о синтезе наночастиц одинаково изначально заданного размера; о контроле химической активности различных материалов, о построении «архитектурных конструкций» на молекулярном уровне и даже безопасной вакцине на основе синтетических антигенов, уничтожающей природные вирусы. Подобные конструкции, как и обычные «живые» вирусы, способны самостоятельно выстраивать свою структуру и разрушаться в контролируемых условиях окружающей среды.
В 2007 году группа исследователей предложила общую стратегию построения сферических оболочек с использованием методов химического синтеза. Идея состояла в том, чтобы создать в лабораторных условиях правильные пятиугольники, способные соединяться в сферу под воздействием различных химических механизмов и приобретать форму «футбольного мяча». И хотя это принцип в теории казался простым, на практике его реализация встретилась с трудностями. Эскперименты проводились несколькими исследовательскими группами, продолжались более 12 лет без особых успехов.
В конце концов, исследователи из Техниона и Тайваня смогли реализовать указанную стратегию. Они сумели создать плоские пятиугольники, которые под воздействием катионов металлического кадмия соединились в полую сферу. Соединение 12 пентагонов и 30 ионов кадмия образовало полый шар с внешней оболочкой в 6 нанометр и толщиной стенки в один нанометр.
В настоящее время исследователи разрабатывают и производят сферы с различным химическим составом в соответствии с заданными целями, в том чиле для иммунизации, контролируемого высвобождения лекарств, молекулярной архитектуры и использования солнечной энергии.
На снимках: профессор Эхуд Кейнан, доктор Эфрат Солель, и «футбольный мяч» – полая сфера искусственного вируса.
Фотографии предоставлены пресс-службой Техниона.
Оригинальная публикация в Nature Communications