Молекулы многих лекарств могут переходить из одной пространственной формы в другую. Учёные НИУ ВШЭ и Института химии растворов РАН с помощью математической модели ибупрофена в сверхкритическом CO₂ показали, что растворитель может вызывать необычно медленный отклик таких молекул. Об этом сообщили в пресс-службе НИУ ВШЭ.
Производство лекарств требует не только создания активного компонента, но и получения кристаллов с оптимальной структурой. Один из методов – растворение вещества в сверхкритическом диоксиде углерода (CO₂). Сверхкритический CO₂ образуется при нагревании и сжатии газа выше критических значений температуры и давления. После снижения давления вещество кристаллизуется в виде мелких твёрдых частиц. Однако до этого момента растворитель может изменять форму молекул.
Молекулы некоторых веществ обладают гибкостью и могут принимать различные пространственные конфигурации, которые зависят от множества факторов, включая плотность растворителя. Вблизи критической точки, где исчезает различие между жидкостью и газом, плотность растворителя значительно колеблется. В растворе возникают области с разной плотностью, размеры которых увеличиваются с приближением к критической точке. При этом колебания становятся всё более медленными, что физики называют критическим замедлением.
Учёные разработали модель, объясняющую, почему молекулярная система сохраняет следы первоначального воздействия, несмотря на быстрое изменение формы отдельных молекул. Модель учитывает три связанных процесса: изменение формы молекул, колебания плотности растворителя и диффузию. Исследователи рассчитали, как эти процессы взаимодействуют и с какой скоростью они протекают.
Оказалось, что вблизи критической точки в растворе происходят два медленных коллективных процесса. Первый связан с критическим замедлением колебаний плотности растворителя, а второй – с диффузией: чем больше колебания, тем больше времени нужно для перераспределения вещества. При этом переходы молекул между формами могут оставаться быстрыми. Однако взаимодействие молекул с растворителем приводит к тому, что оба медленных процесса влияют на сигнал, используемый для отслеживания изменений формы молекул. Этот эффект авторы назвали двойным коллективным замедлением.
Чтобы показать, как работает модель, исследователи рассмотрели ибупрофен в сверхкритическом CO₂. Их расчёты показали, что даже небольшие различия во взаимодействии растворителя с разными формами молекулы могут сделать медленные коллективные процессы заметными в измерениях. Более того, реакция системы может затухать не по обычным законам, а значительно медленнее. Это указывает на то, что следы первоначального воздействия могут сохраняться гораздо дольше, чем один переход молекулы между формами.
«Отдельная молекула может по-прежнему быстро менять форму. Но вероятность нахождения в той или иной форме зависит от окружающего растворителя. Если плотность среды меняется медленно, то и связанные с ней изменения соотношения молекулярных форм могут сохраняться очень долго. Получается, что медленная память растворителя передается молекулам, хотя скорость самих переходов между формами практически не меняется. Физический смысл нашей работы существенно глубже, чем объяснение необычной динамики ибупрофена в сверхкритическом CO₂. Мы показали, как медленная коллективная динамика среды может проявляться в наблюдаемой динамике молекул, собственные внутренние превращения которых остаются быстрыми», – отметил Юрий Будков, ведущий научный сотрудник Лаборатории вычислительной физики МИЭМ ВШЭ.
Модель помогает понять, как среда влияет на поведение лекарственных молекул, и может пригодиться при разработке новых препаратов. Исследование опубликовано в The Journal of Chemical Physics.
Разработка умных лекарств требует понимания не только поведения молекул в растворе, но и точной настройки их срабатывания. Как рассказывала интернет-газета «ЖУК», учёные создали модель, которая позволяет точно предсказывать и настраивать порог срабатывания молекулярных переключателей на основе четырёхцепочечных мотивов ДНК, чувствительных к кислотности среды. Это поможет создавать умные лекарства, которые активируются только в кислой среде опухоли.