Может ли химик обойтись без пробирок?

Левитация капелек жидкости – не просто забава физиков, но и хорошее подспорье в биохимических исследованиях.

Непременный атрибут любой химической лаборатории – это стеклянная посуда. Различные колбы, пробирки и другие аппараты, часто очень сложной и даже причудливой формы. Если мы посмотрим на то, как лаборатории изображают в кино, то непременно увидим, как главный или не очень главный герой обязательно смешивает в колбах растворы, обязательно разного цвета и обязательно в больших количествах. Наверное, потому что работа с микролитрами бесцветных жидкостей и микрограммами сыпучих порошков выглядеть на экране будет совсем не так эффектно. Тут же яркие краски, дым, бурлящие жидкости – ну точно, настоящие химики!

Однако в действительности всё не так эффектно, зато намного интереснее. И большая часть современной науки делается в масштабах тех самых капель и единиц массы и объёма с приставками милли, микро и далее по списку. Благо чувствительность аналитических приборов порой поражает воображение.

Но тут появляется другая проблема – когда вещества слишком мало, то любое  взаимодействие с окружающими предметами может заметно изменить его свойства. Например, часть молекул вещества может адсорбироваться на поверхности тех же пробирок, в результате концентрация в растворе будет другой или свойства вещества будут отличаться. Такие эффекты особенно важны при работе с чувствительными объектами вроде биомолекул. Тот же фермент, извлечённый из живой клетки и помещённый в пробирку, может вести себя в ней немного по-другому.

Одна из «палочек-выручалочек» в таких ситуациях – это необычный и «магический» физический эффект, который называется акустическая левитация. Выглядит он и вправду волшебно – капельки жидкости или небольшие твёрдые тела в буквальном смысле висят в воздухе, будто удерживаемые невидимой силой. Правда, ничего магического в нём нет – эффект левитации возникает из-за разницы давления воздуха в определённых областях, которую в свою очередь создаёт стоячая акустическая волна. Стационарные области с высоким давлением удерживают объект, находящийся в области с низким давлением. В интернете есть даже инструкции, как в домашних условиях собрать из относительно недорогих деталей такое устройство. Но вернёмся к химии.

Подобным устройствам прочили будущее, к примеру, в фармакологической индустрии, где крайне важны манипуляции с чувствительными соединениями, однако на деле пока что у такого метода больше трудностей, чем реальной пользы. Тем не менее, время от времени появляются интересные сообщения о применении акустической левитации в реальных химических экспериментах. Вот, например, исследователи из Калифорнийского технологического института изучили действие препарата для фотодинамической терапии рака, смоделировав химические процессы в левитирующей капле жидкости.

Суть фотодинамической терапии состоит в том, что раковые клетки насыщаются веществом, которое затем при действии на него светового излучения определённой частоты способствует образованию химически активных веществ. Они, в свою очередь, вступают в химическую реакцию с клетками опухоли, окисляя или разрушая их каким-нибудь другим образом. Такой вид терапии успешно применяется, но некоторые детали протекающих при этом химическом процессов были не столь ясны.

Левитирующая капля же представляет собой идеальный химический реактор, в котором нет ничего лишнего, и в котором можно рассмотреть объект исследования в буквальном смысле под лупой.
В левитирующую каплю воды исследователи добавили соединения, имитирующие клеточную стенку. Молекулы таких веществ, как правило, гидрофобны и стремятся собраться на поверхности жидкости – вода как бы выталкивает эти вещества. В случае капли они соберутся на её поверхности, образуя нечто наподобие клеточной оболочки. Затем в такую упрощённую до минимума модель клетки химики поместили сам препарат для фотодинамической терапии.

Теперь, если на каплю посветить определённым светом, препарат начнёт окислять собравшиеся на поверхности капли молекулы, имитируя тем самым разрушение мембраны больной клетки. Оказалось, что процесс окисления не идёт до конца – т.е. эти молекулы могли бы окислиться ещё больше, но вместо этого они теряют свою гидрофобность и уходят с поверхности капли, как бы прячась от окисления внутри капли.

Можно подумать, что это плохо, и наоборот, было бы хорошо, чтобы клеточная стенка больных клеток окислялась как можно больше. Однако на самом деле ставшие гидрофильными не до конца окисленные молекулы, уходя в раствор, разрушают тем самым клеточную мембрану, что в конечном итоге ускоряет гибель больной клетки.

Примечательно ещё и то, что исследователи сконструировали установку для эксперимента не сказать, что из подручных средств, но очень близко к этому. Акустический левитатор был собран по той самой инструкции из интернета, а в качестве источника света использовалась обычная лазерная указка.

По материалам Angewandte Chemie