| Аннотация |
Цель научного исследования
1. Разработка новых методов синтеза органических парамагнетиков (нитроксильных и тетратиатриарилметильных радикалов (ТАМ), фундаментальное исследование их химических, физических свойств и спектральных особенностей с целью выявления взаимосвязей структура – свойства, и направленный синтез функциональных материалов (спиновых меток, спиновых зондов, поляризующих агентов, контраст-реагентов и др. магнитных материалов) на их основе; разработка нового оборудования и методов для исследования сложных молекулярных систем методами магнитного резонанса; разработка подходов к решению конкретных задач в области физической органической химии, материаловедения, биохимии, структурной биологии и медицины с помощью новых магнитно-резонансных методов.
2. Разработка и практическая реализация подходов к новым химическим агентам, предназначенным для диагностики и аналитического сопровождения терапии в лечении ряда заболеваний, а также для исследований в области установления строения и выявления функциональных особенностей биополимеров, среди которых исследование структуры и динамики комплексов, моделирующих репарацию ДНК, с применением парамагнитных стабильных тритильных и нитроксильных радикалов и диамагнитных фторных меток методами импульсной ЭПР спектроскопии и многомерной ЯМР спектроскопии
Описание задач, предлагаемых к решению
1. Разработка методов синтеза стабильных органических радикалов (нитроксильных, тритильных) и функциональных материалов (спиновых меток, зондов, поляризующих агентов, ди- и полирадикалов, контраст-реагентов и т.д.). Разработка и совершенствование методов синтеза нитроксильных функциональных спиновых зондов и меток (в том числе, изотопно-обогащённых), а также би- и полирадикальных структур (мультиспиновых систем) на их основе. В задачу входит как синтез новых соединений, так и поиск более удобных методов получения известных органических парамагнетиков.
2. Исследование функциональных свойств полученных парамагнетиков – устойчивости к окислению, восстановлению, спектральных параметров и их зависимостей от различных свойств окружения, способности связываться с функциональными группами в исследуемых системах и т.д.. Исследование взаимосвязи структура – свойства. В частности – исследование структурных факторов, влияющих на скорость восстановления нитроксильных радикалов, на наличие и величину дальних констант сверхтонкого взаимодействия, скорости спиновой релаксации, на функциональные свойства спиновых зондов (чувствительность, величину обменных взаимодействий в бирадикалах, их магнитные свойства, релаксивности полирадикалов и др.).
3. Молекулярный дизайн и синтез органических парамагнетиков для конкретных приложений: спиновых меток для применения внутри клетки, рН-чувствительных зондов и меток для биофизических исследований и материаловедения, би- и полирадикалов различного строения, поляризующих агентов, контраст-реагентов для МРТ, спиновых зондов для регистрации короткоживущих радикалов и синглетного кислорода, и т.д..
4. В ходе исследований будут разработаны и реализованы подходы к получению функциональных производных тритильных радикалов с варьируемыми и контролируемыми характеристиками: водорастворимость, липофильность, цитотоксичность. Особый упор будет сделан на радикалах принципиально нового типа, отличающихся инертностью к действию оксидоредуктантов биологической природы и предельно низкой токсичностью. На основе этих исследований будут получены эффективные спиновые зонды для неинвазивной диагностики заболеваний, в том числе онкологических заболеваний, методами 3D ЭПР томографии высокого разрешения.
5. Будут получены эффективные агенты, используемые в генерации эффекта ДПЯ применительно к широкому кругу объектов: от низкомолекулярных субстратов и модельных биополимеров (белки, олигонуклеотиды, ДНК и РНК-дуплексы) до регистрации ДПЯ в режиме in cell и in vivo. Эти парамагнитные агенты будут отличаться высокой устойчивостью к компонентам эндоплазмы, в том числе при проведении исследований в физиологически значимом интервале температур.
6. Будут получены и исследованы мультиспиновые агенты, основанные на статистической пришивке тритильных и нитроксильных радикалов к высокомолекулярной платформе, в качестве которой будет выступать биосовместимый полимер, полипептид или олигонуклеотид. Эти работы обеспечат выход на новое поколение эффективных ДПЯ-реагентов.
7. Разработка и создание ЭПР –томографа с резонансной частотой 800 МГц с быстрым сканированием внешнего магнитного поля, с помощью которого можно будет изучать модельных животных (мышей и крыс возрастом до одного года).
8. Использование возможностей недавно созданного авторами проекта нового импульсного спектрометра ЭПР с генератором импульсов произвольной формы – включение в анализ «прямого» временного измерения в импульсной спектроскопии ЭПР. Фурье-спектроскопия сигнала спинового эха («прямое» измерение, зависимость сигнала от времени после воздействия последнего импульса последовательности, формирующей сигнал) при широкополосном возбуждении спектра позволяет получать спектры ЭПР спиновых меток и зондов в частотной области без использования дополнительных ресурсов и затрат времени. Корреляция спектров прямого измерения в зависимости от временных задержек между импульсами («непрямого» временного измерения) позволяет получать структурную информацию об особенностях строения спин-меченых объектов, о том, как коррелированы взаимные ориентации тензоров, описывающих магнитные взаимодействия, определяющие форму сигнала в прямом измерении (например, g-тензор триарилметильного радикала, или g-тензор и тензор сверхтонкого взаимодействия (СТВ) с ядром азота нитроксильного радикала) и тензоров, определяющих форму огибающей сигнала спинового эха, т.е. взаимодействий, проявляющихся в непрямых временных измерениях в различных типах экспериментов (например, СТВ с далёкими ядрами фтора, или межэлектронного диполь-дипольного взаимодействия в случае дипольной спектроскопии, или зависимость скоростей релаксации от положения линии в спектре ЭПР). Эксперименты на модельных системах для иллюстрации возможностей нового импульсного ЭПР спектрометра НИОХ. Разработка программного обеспечения для расчётов 2D спектров ЭПР с использованием прямого измерения, поскольку стандартные пакеты программ не включают такую возможность, т.к. в коммерческих спектрометрах использование прямого временного измерения не предусмотрена.
9. Разработка методов дипольной спектроскопии, пригодных для использования в вязких растворителях. Экспериментально показана возможность динамической поляризации ядер в модельных мембранах с использованием тритильных радикалов, причём механизм поляризации такой же, как в твёрдом теле, что свидетельствуют о возможности изучения процессов релаксации по механизму мгновенной диффузии в условиях размораживания подвижности спиновых меток и зондов. Синтезированные в НИОХ СО РАН тритильные радикалы обладают достаточно длинными временами магнитной релаксации и могут быть использованы как зонды для изучения их пространственного распределения в вязких изотропных и анизотропных системах, в том числе в составе спин-меченых макромолекул. Особый интерес представляют вязкие системы при физиологических температурах.
10. Разработка теории импульсной дипольной спектроскопии. Расчёт фоновых сигналов в одночастотных методах SIFTER, DQC, RIDME в случае магнитно-разбавленных систем слабосвязанных магнитных диполей. Изучение оптическими методами и методам магнитного резонанса взаимодействия модельных гуминоподобных веществ с активными формами кислорода и некоторыми видами стойких органических загрязнителей. Одной из моделей гуминоподобных субстанций является ванилиновая кислота, которая может служить также триплетной меткой, в том числе при комнатной температуре.
11. Исследование структуры и динамики комплексов, моделирующих репарацию ДНК, с применением парамагнитных стабильных тритильных и нитроксильных радикалов и диамагнитных фторных меток методами импульсной ЭПР спектроскопии и многомерной ЯМР спектроскопии: структура искусственно синтезированной последовательности цинкового пальца фермента FPg E. coli (формамидопиримидин-ДНК-гликозилаза) в отсутствии остальной части фермента, а также влияние на ее сворачивание присутствие / отсутствие в растворе ионов цинка и других металлов; структура ДНК дуплексов содержащих неправильную UC-пару и АП-сайт модифицированный метоксиамином. Кроме того, планируется создание программы, проводящей к компенсации эффектов наведенного поля дампинга от интенсивных сигналов для длинных селективных радиочастотных импульсов произвольной формы.
12. Будут исследованы механизмы органических реакций, а также динамики перегруппировок и конформационных превращений с использованием методов ЯМР и квантово-химического моделирования. Квантово-химическое моделирование перегруппировки нитрилоксидов в изоцианаты, катализируемой SO2, используемые в современных производственных процессах, особенно в производстве полиуретанов; исследование миграционной способности «медленных» мигрантов в карбокатионах с применением методов NOESY/EXSY, позволяющим измерять скорость медленных процессов конформационный анализ восьмичленного цикла в тетратиоцинах; инверсия цикла и заторможенного вращения групп R = CH2F, CHF2, CF3, C6F5 в производных 9,10-дигидрофенантрена и соответствующих карбокатионах; изучение заторможенного вращения метиламино- и амино-групп в 4-ethoxy-6-(methylamino)-1,3,5-triazin-2-amine; реакции внутримолекулярного 1,3-циклоприсоединения связи С=С к нитроновому фрагменту молекулы; перенос протонов в бис-бензимидазолах и другие.
|
