Поняв, как выращивать кристаллы солей серотонина - знаменитого гормона счастья, российские ученые выяснили, как лучше предсказывать формы других кристаллов, выращиваемых из растворов.

Химикам из Сибирского отделения РАН удалось сделать важный шаг к пониманию того, по каким законам выстраиваются молекулы в кристаллах, выращенных из различных сред. Их исследование опубликовано в журнале Computational and Theoretical Chemistry (COMPTC), работа велась при поддержке Российского научного фонда (РНФ).

Грант РНФ позволил провести трехлетнее исследование роли жидкостей в превращениях с участием кристаллов различных веществ при высоком давлении и при нормальных условиях. Данная работа - часть этого проекта. Без соответствующей поддержки Российского научного фонда не было бы возможности не только провести ряд расчетов и экспериментов в данной области, но и вообще заняться столь интересной и перспективной темой, интенсивно развивающейся за рубежом. Достаточно сказать, что самим своим существованием коллектив исполнителей в его настоящем виде обязан именно данному гранту - большая часть участников проекта привлечена к работе по нему в Институте химии твердого тела и механохимии (ИХТТМ) СО РАН в качестве совместителей из других организаций.

Недавно были опубликованы результаты международного "слепого теста" - соревнования, в котором различные научные группы пробовали предсказать экспериментальную кристаллическую структуру, используя только суперкомпьютеры и соответствующие расчетные методы.

Каждому участнику присылалась молекулярная формула вещества, после чего он должен был выдать координаты атомов трехмерной структуры. Решение этой невероятно сложной задачи означало бы, что кристаллическую структуру любого вещества можно получить, не прибегая к специальным (и очень дорогим) приборам, просто "сидя за компьютером".

Результаты соревнований кристаллографов из раза в раз улучшаются, тем не менее на сегодняшний день нельзя сказать, что предсказаниям кристаллической структуры программными методами можно полностью доверять, ведь процент ошибок все еще высок. Ситуация также усложняется тем, что такого рода расчеты используют огромные временные и вычислительные ресурсы.

Но главная проблема заключается даже не в этом. Учеными показано, что, несмотря на серьезную предсказательную силу программ, сегодня ни одна из них не опирается на методы получения предсказанных структур в реальных условиях. Другими словами, даже зная, какая кристаллическая структура должна образоваться, ученые до сих пор не могут однозначно сказать, как именно получить ее в лаборатории.

"Предсказать структуру кристалла до начала эксперимента на сегодняшний день очень сложно", - пояснил "Газете.Ru" младший научный сотрудник Института химии твердого тела и механохимии (ИХТТМ) СО РАН и Новосибирского государственного университета Денис Рычков, отметив, что сложнее всего дело обстоит с предсказанием структуры кристаллов органических молекул, которое бы учитывало реальные условия их кристаллизации, в частности природу растворителя.

Рычков с коллегами решил выяснить, по каким законам растут кристаллы солей серотонина, известного "гормона счастья", имеющего большое значение для биологических процессов и для фармацевтики.

Проведя математическое моделирование, на которое ушло около месяца машинного времени, ученые пришли к выводу, что геометрия молекулы серотонина и, соответственно, кристаллическая структура солей зависят от способа получения кристалла. При помощи суперкомпьютера они изучили поведение молекулы серотонина в водном растворе и сравнили с поведением той же молекулы в вакууме. Химики определили, как энергия молекулы зависит от ее пространственного строения в тех или иных случаях.

"Проще говоря, выяснилось, что геометрия получившейся молекулы в кристалле очень близка к преимущественной геометрии в растворе, из которого его выращивали", - объяснил Рычков. По его словам, до этого влияние растворителей никак не учитывалось учеными при предсказании структур выращенных кристаллов.

"Судя по всему, его надо учитывать, потому что строение кристалла зависит не только от того, какие в нем молекулы и как они взаимодействуют, но и от того, как происходила кристаллизация из раствора", - добавил ученый.

Авторы предполагают, что это утверждение справедливо не только для молекул серотонина, но и для большинства кристаллов, выращенных из раствора. Полученный вывод внесет вклад в развитие предсказательных методов кристаллографии и поможет сократить разрыв между теоретически предсказанными кристаллическими структурами и их получением в лаборатории.

Известно, что одни и те же химические вещества могут существовать в различных полиморфных модификациях (например, алмаз, графен, графит), образуя различные кристаллические упаковки. Таким образом, при постоянном химическом составе кристаллы обладают различными свойствами. Это же свойство наблюдается у органических кристаллов, часто применяемых в молекулярных материалах, например в фармацевтике. От взаимной ориентации молекул могут зависеть такие важные свойства медикаментов, как растворимость, способность прессоваться и другие. "В этом мост между задачами фармацевтики и локальной проблемой предсказания структуры кристаллов", - пояснил Рычков.

Данная работа проводилась в научной группе Елены Болдыревой (ИХТТМ СО РАН) при тесном взаимодействии с Сибирским суперкомпьютерным центром, Институтом катализа (ИК СО РАН), Институтом химической биологии и фундаментальной медицины (ИХБФМ СО РАН) и Университетом Эдинбурга (Великобритания).

Похожие новости

  • 08/12/2016

    Новосибирские химики производят уникальные композитные материалы для сжигания топлива

    ​Специалисты Новосибирского государственного университета и институтов СО РАН создают керамометаллические композитные матрицы на основе порошка алюминия, его оксида и сплавов. Эти уже успешно испытанные материалы обладают уникальными характеристиками, в частности, высокой теплопроводностью, и используются для структурированных катализаторов процессов сжигания и трансформации топлив.
    2625
  • 08/06/2018

    Новосибирские химики научились извлекать чистый водород из биотоплива

    Ученые из России создали новые нанокатализаторы, которые позволяют разлагать различные виды биотоплива и извлекать из них чистый водород. Инструкции по их сборке были опубликованы в статье, опубликованной в издании International Journal of Hydrogen Energy.
    729
  • 13/10/2017

    Технология сибирских ученых поможет отапливать дома при помощи холода

    ​Ученые из Института катализа СО РАН придумали, как из холода получить тепло, которое можно будет использовать для отопления в суровых климатических условиях. Для этого они предлагают в условиях низкой температуры поглощать пары метанола пористым материалом.
    2621
  • 21/05/2019

    По итогам сочинского форума «Наука будущего — наука молодых»

    ​В Сочи завершились III Международная конференция «Наука будущего» и IV Всероссийский форум «Наука будущего — наука молодых». Мы попросили сибирских ученых, в них участвующих, рассказать, какие проекты они представляли на мероприятиях форума и с какими целями приехали сюда.
    473
  • 15/04/2019

    Новосибирские ученые исследуют управление атомами наночастиц для улучшения производства полиэтилена

    ​Ученые Института катализа Сибирского отделения Российской академии наук (РАН) в рамках гранта РНФ (Российский научный фонд) изучат управление атомами наночастиц, что позволит улучшить промышленную технологию получения крупнотоннажных полимеров, в том числе полистирола и полиэтилена, сообщил ТАСС заведующий лабораторией перспективных синхротронных методов исследования Института катализа СО РАН Ян Зубавичус.
    1148
  • 06/03/2018

    Сибирские ученые смогут предсказывать эффективность переработки растительного сырья

    Нейросети уже давно научились узнавать возраст человека по фотографии, а авторство художника — по его картине. Эта технология применяется и в научных исследованиях: благодаря ей сибирские ученые точно определяют степень разупорядочения клеточных стенок растений, чтобы выяснить эффективность последующих процессов переработки сырья.
    870
  • 26/03/2018

    Масштабный проект ИК СО РАН - начало новой энергетики

    ​Казалось бы, события последних 20 лет демонстрируют явную зависимость нашей страны от добычи полезных ископаемых. Вы удивитесь, читатель, но есть научные коллективы, которые не разделяют подобную точку зрения.
    1185
  • 12/09/2017

    Ученые ИК СО РАН работают над проблемами переработки углеводородов

    ​Богатые запасы нефти - еще не решение всех проблем страны хотя бы потому, что переработка углеводородов требует больших вложений, сил и сложных технологических решений, то есть сотрудничества промышленников и ученых.
    1392
  • 21/07/2017

    Новосибирские ученые нашли способ улучшить работу очистителей воздуха

    Ученые НГУ выиграли грант Российского научного фонда (РНФ). Разработка ученых поможет решить фундаментальные научные задачи, а также улучшить работу бытовых и профессиональных очистителей воздуха. Тема работы новосибирских ученых — «Фото- и терморазложение металлокомплексов как способ формирования наночастиц металлов и биметаллических структур на поверхности фотокаталитически активных материалов».
    1574
  • 11/03/2019

    Исследования новосибирских ученых попали на обложку международного кристаллографического журнала

    ​Публикация посвящена исследованию кристаллических структур двух соединений при варьировании температуры: молекулярной соли и смешанного кристалла в системе β-аланина и DL-винной кислоты, имеющих одинаковый стехиометрический состав 1:1, но различную кристаллическую структуру.
    715