Недавно опубликованные в Nano Letters результаты исследований ученых Питсбургского университета (University of Pittsburgh, США) свидетельствуют о возможности биологического (естественного) разложения одностенных углеродных нанотрубок (ОСНТ). Это чрезвычайно важный вопрос, ведь несмотря на непрекращающиеся дискуссии о безопасности или токсичности наноматериалов (см., например, ПерсТ 15, выпуск 21), их производство непрерывно растет. Новые достижения в области нанобиомедицины со временем приведут к широкому применению этих уникальных материалов in vivo. При этом даже специально подготовленные, очищенные и имеющие нужные размеры «безвредные» нанотрубки, которые используют для диагностики и лечения, останутся в теле человека и могут вызвать воспалительные отклики или какие-либо другие неблагоприятные последствия. Развитие нанотехнологий увеличит содержание углеродных нанотрубок в окружающей природе, откуда часть их, естественно, будет попадать в организм человека). Но, как выяснили авторы исследования, найти пути безопасного удаления (биодеструкции) «отработанных» ОСНТ поможет хрен, точнее, фермент пероксидаза из его корней.

Ферменты (белковые вещества) — катализаторы, синтезируемые живыми клетками и регулирующие сложные химические процессы, протекающие в клетках растений и животных. Названия ферментов обычно образуются путем прибавления окончания «-аза» к названию вещества, на которое данный фермент действует. Так, пероксидазы активируют кислород пероксида водорода (а также органических перекисей) и катализируют окисление многих фенолов и ароматических аминов. Пероксидаза — один из наиболее распространенных ферментов, он содержится в растениях, микробах, тканях животных.

Полезные свойства хрена, конечно, известны всем. Он с давних пор используется в народной медицине как противовоспалительное, фитонцидное, противомикробное средство, источник витаминов и микроэлементов. Медикам и биологам хорошо знакома пероксидаза, содержащаяся в верхнем слое корня хрена и в его кожуре. Она широко применяется в диагностике при биохимическом исследовании компонентов крови и мочи, в экспресс-тестах на СПИД, является сильнейшим иммуномодулятором, восстанавливающим функции иммунной системы. На основе пероксидазы хрена разрабатываются перспективные электрохимические биосенсоры.

Ученые Питсбургского университета в своих исследованиях in vitro показали, что биологическое разложение ОСНТ может происходить при помощи ферментативного катализа. Пероксидаза хрена была добавлена к суспензии карбоксилированных нанотрубок (ОСНТ для удаления примесей металлических катализаторов были обработаны H2SO4/H2O2). Инкубацию проводили в течение 24 ч в темноте при 4 °С (эти температурные условия, по мнению авторов, соответствуют возможному применению биологических систем для биодеструкции УНТ в окружающей среде в различное время года). Затем добавляли пероксид водорода (конечная концентрация была невысокой, ~40 мкмоль). Для оценки активности пероксидазы использовали спектрофотометрический метод и электронный парамагнитный резонанс. Оба метода подтвердили, что нанотрубки не снижают активность фермента. Эксперимент продолжался 16 недель. В течение этого срока каждые 2 недели отбирали и исследовали пробы (250 микролитров) инкубированной суспензии; для компенсации добавляли равный объем 80 мкмоль Н2О2.

Данные спектрофотометрии подтвердили, что происходило окисление карбоксилированных нанотрубок. Контроль каждой пробы с помощью просвечивающей электронной микроскопии наглядно показал, как происходит деструкция нанотрубок. Сначала уменьшается их длина (если исходная длина в среднем ~520 нм, то через 8 недель она составляет ~230 нм); через 8 недель наблюдается появление глобулярного вещества; через 12 недель в пробе в основном присутствуют глобулы; через 16 недель нанотрубки практически отсутствуют!

В дополнение был проведен термогравиметрический анализ (ТГА) более крупного образца, к которому периодически добавляли пероксид. Примерно 5 мг карбоксилированных ОСНТ были инкубированы с пероксидазой при 37 °С, и в течение 5 дней каждый час добавляли 1 мМ Н2О2. Оказалось, что в результате этой процедуры вес нанотрубок уменьшился примерно на 40 %. Профили ТГА показывают, что потери веса для карбоксилированных ОСНТ начинаются с 200 °С (для исходных — с 900 °С). Нанотрубки, инкубированные с пероксидазой и Н2О2, оказались менее стабильными: общие потери веса были гораздо больше и особенно значительными при 100 °С и 670 °С. Это указывает на более высокий уровень возникших дефектов, что подтверждено электронномикроскопически. В своих исследованиях авторы использовали также масс-спектрометрию, гель-электрофорез, спектроскопию в УФ, видимой и ближней ИК областях спектра. Данные подтвердили окислительную модификацию нанотрубок при воздействии пероксидазы/Н2О2.

Таким образом, разработан мягкий, естественный метод безопасного удаления углеродных нанотрубок в условиях окружающей среды. Ученые продолжают исследования. Необходимо выяснить, что представляют собой продукты деструкции ОСНТ, насколько они безвредны. Интересно найти другие эффективные пероксидазы, содержащиеся в растениях и животных, ведь расширение возможностей каталитической биодеструкции нанотрубок позволит применять эти материалы в медицинских целях, не опасаясь токсичных эффектов.