Прорыв отечественной науки: универсальная модель гидрофобных связей
Фото: kommersant.ru
Ведущие ученые России разработали принципиально новую теорию, объясняющую поведение гидрофобных соединений в воде. Эти вещества отличаются тем, что растворяются с трудом, но играют важнейшую роль в процессах, протекающих в живых организмах и разнообразных растворах, включая окружающую каждую клетку внутриклеточную среду. За сорок лет исследований физики и химики собрали внушительный экспериментальный материал, который требовал точного и универсального объяснения — и теперь отечественным ученым это удалось.
Решения, предлагаемые ранее, не могли однозначно описать ни распределение энергии, ни поведение энтропии (меры хаотичности системы) в процессе растворения гидрофобных частиц при изменении температуры либо состава молекул. Новая теория, воплощенная в трудах команды под руководством доктора физико-математических наук Максима Евстигнеева из Севастопольского государственного университета при поддержке Российского научного фонда (РНФ), полностью согласуется с экспериментами в самых разных условиях.
Гидрофобные эффекты: почему это важно для медицины и биологии
В зависимости от структуры вещества принято делить на гидрофильные (хорошо растворяющиеся в воде) и гидрофобные (плохо растворимые). Гидрофобные взаимодействия — это основа сложной организации белков, поддержания энергетического баланса, передачи биосигналов и даже образования липидных мембран. Однако тонкие механизмы контакта гидрофобных молекул с водой до сих пор оставались загадкой для специалистов.
Понимание этих тонких молекулярных процессов открывает новые горизонты для разработки лекарственных средств, которые смогут точечно восстанавливать структуру и функции белков при различных нарушениях. Это особенно актуально при патологиях, связанных с неправильной работой белковых комплексов или мембран — таких, как наследственные заболевания, нарушения обмена веществ, рак или нейродегенеративные процессы.
Благодаря результатам работы ученых из Севастопольского государственного университета появляются перспективы поиска уникальных молекулярных терапий, способных избирательно воздействовать на ключевые биологические мишени.
Суть новой теории: переводим поведение молекул на язык точных наук
Исследователями выбран элегантный теоретический подход: вместо сложнейших расчетов для разных форм химических веществ, они моделировали поведение идеализированной сферической гидрофобной молекулы в воде. При этом учитывалось формирование вокруг такой молекулы рыхлой оболочки из слабо связанных молекул воды — своеобразной динамической "оболочки".
Ключом к успеху стал физико-математический аппарат статистической термодинамики. Чтобы предельно точно предсказать и описать энергетику системы, ученые разделили движения в паре "гидрофобная молекула — молекула воды" на два типа: трансляционные (движения вдоль оси связи) и ориентационные (отклонения от этой оси). Такая детализация позволила просчитать, как изменяются теплоёмкость и энтропия при формировании связей, а также какие процессы реально сохраняют устойчивость гидрофобной структуры даже при различии температур.
Новая глава в понимании молекулярной биологии
Представленная модель блестяще объяснила многочисленные эксперименты, относящиеся к растворению инертных газов и ряда органических соединений в воде. Например, теория предсказала важный коэффициент теплового эффекта растворения на уровне 2,09 — идеально попадая в эмпирический диапазон, выделенный во многолетних лабораторных испытаниях (0,7–2,1 условных единиц).
Ранее было принято считать, что прямое взаимодействие между гидрофобными молекулами и окружающей их водой играет скорее пассивную роль. Напротив, новая теория акцентирует внимание на важности взаимной координации движений, отчего существенно меняется представление о стабильности белковых структур, спиралей ДНК и других сложных биологических ансамблей.
Это открывает дополнительные возможности для прогнозирования поведения сложных биомолекул, разработки лекарств и направленного редактирования биохимических процессов.
Вклад Российского научного фонда и перспективы развития исследований
Проект, реализованный коллективом Севастопольского государственного университета под руководством Максима Евстигнеева, стал знаковым примером того, как поддержка Российского научного фонда (РНФ) способствует настоящим научным прорывам. Как отметил руководитель группы, новая теория не только кардинально расширяет фундаментальные знания о гидрофобных эффектах, но и прокладывает путь к усовершенствованию методов исследования активности белков, разработке инновационных фармакологических препаратов и созданию новых химических технологий.
В ближайших научных планах у исследователей — перенос результатов на системы с гидрофильными молекулами, а также на разнообразные неводные среды. Подход, разработанный в СевГУ, обещает существенное влияние и для современных материаловедческих задач, и для промышленной химии.
Будущее принадлежит смелым открытиям
Данный успех подчеркивает высокий научный потенциал отечественных исследовательских школ, подтверждает важность государственной поддержки науки и стимулирует появление новых междисциплинарных направлений на стыке физики, биологии и медицины. Ожидается, что созданная теория станет фундаментом для глубокого анализа молекулярных взаимодействий и подарит человечеству новые эффективные подходы для борьбы с заболеваниями и создания материалов будущего.
Исследование осуществлено при поддержке Российского научного фонда. Коллектив под руководством Максима Евстигнеева продолжает работу над расширением границ знаний и применимости новой модели.
