Компьютерный дизайн материалов объяснил механизм возникновения рака лёгких.

С   давних времён известно, что работники шахт и рудников страдают заболеваниями лёгких (как и строители, работающие с канцерогенным асбес­том). Одна из наиболее известных и неизлечимых болезней — силикоз, возникающий при вдыхании минеральной пыли кремнезёма, то есть кварца (SiO2). 

Часто он перерождается в рак лёгких, а он всегда связан с множественными мутациями (химическими видоизменениями) молекулы ДНК. И в этом винят так называемые активные формы кислорода: пероксид-, супероксид-, озонид-группы. Но как инертное вещество SiO2, не содержащее их, приводит к такой мутации, что клетка превращается в раковую?

Активный кислород — яд

Есть множество гипотез, и вот одна из них. В тонкой пыли кремнезёма очень много атомов находится вблизи поверхности, и, вполне возможно, поверхность обладает иными химическими свойствами и строением, нежели сам минерал. Не говоря уже о наночастицах с огромным многообразием структур и составов, которые могут сильно зависеть от кислородной атмосферы, с которой соприкасаются.

Когда я работал в Университете штата Нью-Йорк, одна аспирантка, защищавшая диссертацию на тему канцерогенности минеральной пыли, рассказала, что на поверхности кремнезёма могут присутствовать такие частицы, как пероксид. Он и есть одна из активных форм кислорода (которые подозреваются в причинах возникновения рака) — очень сильный окислитель и страшнейший биохимический яд. Кстати, организмы и сами умеют производить его, когда нужно убить какие-то клетки. 

Американские исследователи полагали, что пероксид-ионы возникают у поверхности на дефектах. И это натолкнуло меня на мысль, что дело может быть не в дефектах (коими часто объясняют всё что угодно, если концы с концами не сходятся), а в том, что пероксид-ионы или иные частицы — это структурные единицы стабильной поверхности кремнезёма.

Частицы на поверхности

Уже с 2004 года я работаю над методом USPEX, позволяющим предсказывать кристаллические структуры, а с 2010-го я и мои ученики создали вариант этого метода для предсказания структуры и химического состава поверхностей материалов, а также наночастиц. Мы заняты теоретическим обоснованием того, что активные формы кислорода появляются на некоторых поверхнос­тях кварца.

Одновременно изучили наночастицы, состоящие из кремния и кислорода. Главным автором этой работы был мой сотрудник Сергей Лепёшкин, одновременно работающий и в Физическом институте имени Лебедева РАН. Исследование совместило в себе предсказание структуры наночастиц и термодинамический анализ их ансамбля. С помощью этого анализа удалось вывести области условий: парциальное давление кислорода и температур, при которых те или иные наночас­тицы доминируют.

В клешнях озонид-ионов

Если спросить любого химика, каким должен быть состав кремнезёма, он ответит: такой же, как и у кристалла SiO2. Скажем, если вы фиксируете в нём 7 атомов кремния, то атомов кислорода должно быть 14. К нашему удивлению, это оказалось не так. При обычных условиях (комнатной температуре и в кислородной атмосфере) доминирующей частицей была Si7O19. В ней избыточный кислород присутствует в виде озонид-ионов — частиц, состоящих из 3 атомов кислорода. И в наночастице два таких озонид-иона — они, как клешни у лобстера, находятся с противоположных сторон.

При небольшом нагревании наночастицы будут выделять часть кислорода. Так же и в восстановительной среде — клетках организма. Вполне вероятно, выделившийся кислород станет атаковать клетки. Нас шокировало, что такие наночастицы являются магнитными — возможно, в будущем их удастся улавливать с помощью магнитных фильтров, и это сделает работу на рудниках и производстве более безопасной. 

Конечно, реальная химия клеточных процессов гораздо сложнее, но это уже за пределами классической кристаллографии. Мы установили, что активные формы кислорода будут присутствовать в наночастицах кремнезёма и, скорее всего, на поверхностях его кристаллов. Это даёт самую простую гипотезу их канцерогенности, но её ещё предстоит протестировать медикам.   

Источник

ОСТАВЬТЕ ОТВЕТ

Please enter your comment!
Please enter your name here