Учёные из МФТИ и Университета ИТМО с коллегами изучили процессы образования и роста кристаллов из простых органических молекул в большие ассоциаты. Эти эксперименты помогут создать капсулы для таргетной доставки лекарств к конкретным тканям организма человека. И не только. Статья по итогам работы опубликована в журнале Crystal Growth & Design.
Цианурат меламина — это соединение меламина и циануровой кислоты, ассоциация молекул которого происходит сходным с формированием ДНК образом. Различные исследования, связанные с ним, могут быть полезными для создания методик по внедрению лекарственных препаратов в аналогичные ему по строению кристаллы. Это позволит учёным эффективнее проводить опыты по таргетированной доставке лекарств — технологии, благодаря которой в будущем препараты смогут попадать прямо в «мишени», то есть конкретные ткани и органы, а не распределяться по всему организму.
Однако до сих пор остаётся много вопросов о механизме молекулярной организации на разных стадиях роста кристаллов.
«Наша совместная работа — об интересном эффекте: варьируя соотношения начальных компонентов, можно регулировать процесс формирования и внешний вид кристалла цианурата меламина, — рассказывает соавтор исследования и куратор образовательных программ НОЦ Инфохимии Университета ИТМО Александра Тимралиева, — мы рассматривали процесс образования супермолекулярного комплекса цианурата меламина. Его образование напрямую зависит от локальной концентрации компонентов. Оказалось, что именно контроль пропорций позволяет нам управлять ростом кристаллов и внедрять в них другие вещества».
Основные расчёты сделали ученые МФТИ.
«Одним из главных направлений деятельности нашей лаборатории в МФТИ является суперкомпьютерное атомистическое моделирование — подход, позволяющий численно описывать и предсказывать поведение каждого отдельного атома в некотором, как правило, очень небольшом объёме вещества. С вычислительной точки зрения, такие методы крайне ресурсоёмки и требуют использования высокопроизводительных машин, способных для решения одной задачи задействовать одновременно сотни, а порой и тысячи отдельных процессоров, — объясняет Никита Орехов, заместитель заведующего лабораторией суперкомпьютерных методов в физике конденсированного состояния МФТИ. — В данной работе, вооружившись одним из таких суперкомпьютеров, мы попытались выяснить, какие именно виды межмолекулярных взаимодействий отвечают за формирование в водном растворе первичного нуклеуса цианурата меламина — той наноразмерной группы молекул, из которой впоследствии и будет расти кристалл. В наших будущих исследованиях эти данные будут полезны для более детального понимания процессов, происходящих при формировании оболочек из цианурата меламина или близких по строению супрамолекулярных комплексов вокруг интересующих нас биоорганических молекул».
Экспериментальная часть проходила в лабораториях НОЦ Инфохимии Университета ИТМО. Исследователи изучали, как изменение концентрации одного из двух компонентов влияет на процесс образования цианурата меламина.
«Мы планируем провести модельные испытания со многими органическими молекулами, например, с антибиотиками типа тетрациклина, — поясняет Александра Тимралиева. — Все супермолекулярные структуры, особенно цианурат меламина, очень похожи по своему формированию на то, как образуется ДНК. Если удастся разобраться с контролем образования этих структур, то сможем перейти в область химии зарождения жизни. Первые шаги уже сделаны».