1. Общая формулировка научной проблемы и ее актуальность.
Роль каротиноидов в живой природе многообразна, прежде всего, они известны как природные пигменты, цветовому многообразию которых обязаны своей окраской овощи, фрукты, растения, а также некоторые птицы и рыбы. Известно, что каротиноиды играют важную роль в процессах фотосинтеза, выполняют защитные функции, а также проявляют мощную антиоксидантную активность. Какие факторы определяют биологическую активность каротиноидов? Предполагается, что важнейшую роль в химии каротиноидов играют процессы переноса электрона. Для понимания детального механизма действия каротиноидов на молекулярном уровне представляется крайне важным исследование структуры и свойств радикальных форм каротиноидов, включая ион-радикалы и нейтральные радикалы. Исследованию этого вопроса и посвящен предлагаемый цикл работ.
2. Конкретная решаемая в работе задача и ее значение.
Представленный на конкурс цикл включает пять работ, опубликованных в международных изданиях. Три из них – это оригинальные статьи, и две – обзоры (один из обзоров представляет главу в иностранной монографии). Первый обзор посвящен радикалам и ион-радикалам каротиноидов, методам их генерации и исследованию их свойств и структуры с помощью современных физических методов, включая радиоспектроскопию. Значительную часть исследований в этой области составили собственные работы авторов. Второй обзор посвящен исследованию реакционной способности каротиноидов в организованных средах (комплексы включения и мицеллы) – новой, ранее практически не исследованной области, расширяющей возможности их применения. Дело в том, что широкое практическое применение каротиноидов, в частности в медицине, сильно ограничивается их нерастворимостью в воде, а также нестабильностью в присутствие света, кислорода и ионов металлов. В ряде оригинальных работ мы показали, что все эти проблемы могут быть решены с использованием супрамолекулярных комплексов. В частности, представленные на конкурс работы являются демонстрацией возможностей используемого авторами подхода, а также перспектив практического применения полученных фундаментальных результатов.
3. Используемые подходы, новизна и оригинальность.
Используемый подход обусловлен особенностью строения радикальных форм каротиноидов, а именно, наличием протяженной сопряженной цепочки двойных связей в их структуре, которая характеризуется большим количеством малых по величине констант сверхтонкого взаимодействия. Это делает неинформативным применение стационарного ЭПР, но зато методики импульсного ЭПР и ENDOR, а также квантово-химические расчеты дают хорошие результаты. Оригинальным моментом настоящего исследования, не имеющего аналогов в мировой литературе, является исследование реакционной способности супрамолекулярных комплексов каротиноидов с природными олигосахаридами и полисахаридами. Они были приготовлены с использованием оригинального подхода, разработанного авторами (механохимический синтез). Хорошей иллюстрацией возможностей нашего подхода является усиление фото-каталитической активности наночастиц двуокиси титана в присутствие водорастворимых комплексов каротиноидов.
4. Полученные результаты и их значимость.
Представленные на конкурс работы вносят весомый вклад в понимание химии каротиноидов и во многом восполняют существующий в литературе пробел в плане отсутствия аналитических обзоров в данных областях (радикальная химия каротиноидов и супрамолекулярная химия каротиноидов, работы №1 и №2). Представленные оригинальные работы (работы №3-5) демонстрируют как широкие возможности методов ЭПР в исследовании свойств парамагнитных интермедиатов каротиноидов, так и перспективы применения полученных результатов для создания эффективных антиоксидантов, препаратов для фотодинамической терапии, а также для разработки новых фото-каталитических устройств. В частности, зарегистрированы и охарактеризованы методами ЭПР, ENDOR и квантово-химическими расчетами радикалы и ион-радикалы ряда каротиноидов, образующихся на поверхности наночастиц двуокиси титана и в мезопорах Ti-MCM-41. Обнаружено значительное усиление выхода свободных радикалов как в твердой фазе, так и в растворе при фотолизе TiO2 в присутствие комплексов каротиноидов.
5. Уровень полученных результатов в сравнении с мировым.
Коллектив авторов цикла находится в числе лидеров в области супрамолекулярной и радикальной химии каротиноидов.
Представленные работы поддержаны грантом РФФИ 08-03-00372 и грантом U.S. Department of Energy, DE-FG02-86ER13465.
Материалы цикла докладывались на следующих конференциях:
И другие.
- Inclusion Complexes of Carotenoids with Glycyrrhizic Acid. A new approach to drug design. International Symposium “Advances in Science for Drug Discovery”, Moscow, 2005.
- Supramolecular complexes of glycyrrhizin and biologically active molecules. IVth International Symposium "Design and Synthesis of Supramolecular Architectures", Kazan, 2006.
- Photostability of supramolecular complexes of some drugs and vitamins. International Conference on Molecular/Nano-Photochemistry, Photocatalysis and Solar Energy (Solar‘08). Cairo, Egypt, 2008.
- Supramolecular water-soluble complexes of carotenoids. Международная конференция «Органическая нанофотоника», июнь 2009, Санкт-Петербург.
- Free radical processes in supramolecular complexes of carotenoids. Joint Russian-Austrian seminar, September 2009, Novosibirsk.
- Electron transfer and free radical processes in supramolecular complexes of carotenoids. Международный симпозиум по спиновой химии, август 2009, Канада.
- Water soluble carotenoid cojugates with oligo- and polysaccharides. Synergy of drug transport and efficacy. International symposium Nanotech 2010, June 2010, Anahaim, USA.
- Механохимический синтез и свойства супрамолекулярных систем, включающих низкомолекулярные органические соединения и углеводсодержащие поли- и олигомеры» Российский семинар с международным участием "Горячие точки химии твердого тела: химия молекулярных кристаллов и разупорядоченных фаз", октябрь 2010, Новосибирск.
6. Сторонние соавторы и вклад авторского коллектива.
А.В. Душкин, Е.С. Метелева (ИХТТМ СО РАН); A.L. Focsan, D.A. Dixon, L.D. Kispert, T. A. Konovalova (University of Alabama, USA). Вклад авторского коллектива составляет около 70%.
Список прилагаемых статей.
- L.D. Kispert and N.E. Polyakov, Highlight Review: Carotenoid radicals. Cryptochemistry of Natural Colorants,Chem. Lett., 2010, 39, 148-155.
- N.E. Polyakov, L.D. Kispert, Water Soluble Supramolecular Complexes of ß-Carotene and Other Carotenoids,In: Beta Carotene: Dietary Sources, Cancer and Cognition. Eds. by L. Haugen and T. Bjornson, Nova Science Publishers, 2009, pp. 191-230 (ISBN: 978-1-61728-145-7).
- N.E. Polyakov, T.V. Leshina, E.S. Meteleva, A.V. Dushkin, T.A. Konovalova, and L.D. Kispert, Water Soluble Complexes of Carotenoids with Arabinogalactan,. Journal of Physical Chemistry B, 2009, 113, 275-282.
- T.A. Konovalova, S. Li, N.E. Polyakov, A.L. Focsan, D.A. Dixon, L.D. Kispert, Measuring Ti(III)-Carotenoid Radical Interspin Distances in Ti-MCM-41 by Pulsed EPR Relaxation Enhancement Method.,J. Phys. Chem. B, 2009, 113, 8704–8716.
- N. E. Polyakov, T. V. Leshina, E. S. Meteleva, A. V. Dushkin, T. A. Konovalova, L. D. Kispert, Enhancement of Photocatalytic Activity of TiO2 Nanoparticles by Water Soluble Complexes of Carotenoids , J. Phys. Chem. B, 2010, DOI: 10.1021/jp908578j