Введение к работе
Актуальность настоящей работы определяется в первую очередь, фундаментальностью исследуемой проблемы: принципиально важным для всей биологии является вопрос, в какой мере возникновение хиральнои асимметрии могло сказаться на механизмах и функциональной значимости формирования одномерных, двумерных и трехмерных структур, составивших начальные стадии биопоэза. В этом отношении низкоконцентрированные гомохиральные растворы, в силу их биологической универсальности, могут быть адекватными моделями для выявления роли молекулярной хиральности при самоорганизации в искусственных и природных системах.
Несмотря на важность проблемы, структурообразование в низкоконцентрированных гомохиральных растворах недостаточно изучено. Данное направление химической физики можно рассматривать как развитие прямого моделирования процессов структурообразования в предбиологических системах. Разумеется, что в условиях de novo сформировавшейся планеты Земля заведомо не могло спонтанно возникнуть сочетание из гомохиральных растворов чистых веществ в органических или полярных растворителях. Тем не менее, как принято в физических исследованиях, для выявления принципиальных закономерностей, используются предельно «упрощенные» системы, в чистом виде в
природе не встречающиеся, но отражающие системные особенности межмолекулярных взаимодействий. Подобные наборы веществ и растворителей могут служить биомиметическими системами. Имеются основания считать, что хиральность может кардинальным образом влиять на процессы самоорганизации, связанные с формированием вторичных, третичных и четвертичных супрамолекулярных и макромолекулярных структур - спиралей, двойных спиралей, замкнутых везикул, спикул в мембранных системах и пр. В свою очередь, и хиральность амфифильных молекул, формирующих моно- и бислои на границах раздела фаз в биомиметиках [4], как в случае фосфолипидов в биомембранах, может в значительной степени определять характер образующихся структур. Таким образом, с точки зрения фундаментальных природных закономерностей, исследование структурообразования и формирования гомохиральной среды в модельных физико-химических хиральных системах является весьма актуальным.
Выявление механизмов образования хиральных гелей или хиральных нанорешеток в растворах при низких концентрациях также является новым диверсифицированным нанотехнологическим направлением.
Цель и задачи исследования. Целью настоящей работы было выявление механизмов структурообразования в хиральных низкоконцентрированных растворах биомиметиков и оценка возможной роли гомохиральности на химической стадии эволюции. Для достижения поставленной цели в работе были сформулированы следующие задачи:
- провести научно обоснованный выбор молекулярной модели
биомиметика;
- экспериментально исследовать структурно-динамические
механизмы образования дисперсной анизометрической и
изометрической фаз растворов;
- исследовать свойства симметрии, образующихся в процессе
самосборки супрамолекулярных структур, а также их иерархий;
- определить кинетические параметры, исследовать
нуклеацию, структурную макрокинетику и кооперативные процессы
в растворах ТФААС, построить микроскопическую модель струны;
обрисовать сценарий образования гомохиральных структур
макромолекулярного масштаба на стадии предбиологической химической эволюции;
- оценить применимость биомиметической модели к изучению процессов на химической стадии предбиологической эволюции.
Объект и предмет исследования. ТФААС являются одними из наиболее простых известных синтетических аналогов хиральных биологических молекул. Их молекулярные массы составляют -200 Да и менее [5]. Молекулярный дизайн ТФААС обеспечивает структурные возможности проявления всего спектра межмолекулярных взаимодействий, что позволяет использовать растворы ТФААС в качестве моделей (биомиметиков) структурообразования. Изометричность ТФААС позволяет минимизировать влияние ахиральных радикалов.
Методология и методы. В работе были использованы стандартные физико-химические подходы и экспериментальные методы. Охарактеризованы все физические масштабы, соответствующие рассматриваемой системе. Все основные результаты диссертации имеют адекватную и обоснованную физико-химическую интерпретацию.
На защиту выносятся: феноменология и механизм формирования упругих антисегнетоэлектрических струн с инертной боковой поверхностью в хиральных растворах; эффекты суперспирализации и хиральная иерархичность струн; обоснование необходимости хиральности и гомохиральности для образования струн в низкоконцентрированных растворах; экспериментальные и теоретические исследования пороговых эффектов образования струн, пограничных и коллективных явлений; особенности структурной макрокинетики, макроскопическая и микроскопическая модели гомохиральной струны; интерпретация явления физико-химической аннигиляции антиподов и новый сценарий возникновения гомохиральных структур макромолекулярного масштаба в рацемическом мире на стадии химической эволюции, моделирование метрик, масштабов, симметрии и динамики добиологической стадии эволюции; опыт создания новых хиральных лекарств и материалов.
Научная новизна. Выявлены и изучены основные структурные элементы анизометрических гелей - упругие супрамолекулярные (с дальним порядком) антисегнетоэлектри-ческие струны с инертной боковой поверхностью, разномасштабный хаос которых приводит к макроскопическому отверждению ниже перколяционного порога.
Экспериментально исследованы процессы формирования иерархических хиральных структур и установлены различные макрокинетические режимы и механизм роста струн.
Построены макроскопическая и микроскопическая модели, которые описывают феномен формирования струн. Исследовано взаимодействие струн с поверхностью твердого тела. Выявлен эффект образования доменов параллельных струн и исследован механизм их формирования.
Разработана биомиметическая модель, соответствующая масштабам, размерностям, динамике, структурной макрокинетике и симметрии биологических структур. На примере биомиметической модели показана смена знака хиральности при переходе на следующий структурный уровень как иллюстрация общей синергетической закономерности.
Экспериментально установлено явление физико-химической аннигиляции антиподов. Предложен новый сценарий возникновения гомохиральных структур макромолекулярного масштаба в низкоконцентрированных растворах на стадии химической эволюции в рацемическом мире. Развиты инновационные физико-химические подходы, направленные на создание новых хиральных лекарств и материалов.
Практическая значимость. Исследованы процессы формирования низкомолекулярных хиральных гелей в растворах (углеводородов, нефти, воды и др.), что может найти широкое применение в технике, экологических технологиях и медицине. Установлены физико-химические особенности механизмов действия лекарств в СНД. Разработано и внедрено противовирусное лекарство «Панавир» с активностью в области СНД и фармакологическая субстанция «Ампассе» с ноотропной и нейропротекторной активностью; предложены подходы для
разработки получения гомогенных матриц из хиральных полимеров (нитроцеллюлозы) и олигомеров для низкофоновых детекторов ядерных излучений. Проведены измерения а-излучателей в районе ЧАЭС в 1986 - 1988 г.г., для чего разработан полимерный детектор с подтвержденной в 2011г. рекордной чувствительностью к протонам отдачи.
Личный творческий вклад. Выбор темы, постановка задачи и целей исследования, обсуждение и обобщение всех полученных результатов, формулирование научных положений и выводов, которые выносятся на защиту, принадлежат лично автору настоящей работы. Все работы, описанные в диссертации, выполнены автором лично или при его решающем участии при определении физических моделей.
Апробация работы и публикации. Результаты исследований, представленных в диссертации были доложены и обсуждались на: ХХШ-м симпозиуме «Современная химическая физика» (г. Туапсе, 2011), XIX-M Менделеевском съезде по общей и прикладной химии (Волгоград, 2011), Юбилейной научной конференции «Химическая физика вчера, сегодня, завтра», посвященной 80-летию ИХФ РАН (Москва, 2011), П-й Международной Интернет-конференции «Актуальные проблемы биохимии и бионанотехнологии» (Казань, 2011), 25th International Conference on Nuclear Tracks in Solids (2011 Puebla, Mexico), 11th ECNP Regional Meeting (14-16 April 2011, St. Petersburg, Russia), 14th European Behavioral Pharmacology Society (EBPS) Meeting (26 - 28 August 2011, Amsterdam - Netherlands), IV-m Съезде Биофизиков России - Симпозиум II «Физические основы физиологических процессов» (Нижний Новгород, 2012), XXIV-m симпозиуме «Современная химическая физика» (г. Туапсе, 2012).
По материалам диссертации опубликовано 37 работ.