Чем занимается современная химия кратко

Современная химия: где ждать прорывов

Фундаментальные разработки в российской химической науке находят применение в создании новых медицинских препаратов и адресной их доставке, в проектировании новых материалов и в новой энергетике

Продукты современной химии повсюду, и, может быть, поэтому мы их редко замечаем — от новых материалов для дома и промышленности до новейших медицинских препаратов. О том, где сейчас передний край химической науки и где ждать прорывов в практику «Эксперту» рассказал декан химического факультета МГУ Степан Калмыков. По научной специальности он радиохимик, автор практически важных работ по экологической безопасности при захоронении ядерных отходов и применении радионуклидов в медицине. Он также эксперт по отрасли в целом как избранный в 2019 году декан химического факультета крупнейшего вуза страны и участник комиссии Министерства науки и образования, которая в конце сентября на открытом конкурсе определила 106 университетов — получателей проектных грантов, базовая часть которых составляет 100 млн рублей. Защита проектов была содержательной и позволила увидеть наиболее прорывные научные и практические направления не только столичных, но региональных вузов.

Точный адрес для лекарства

— Где в российской науке ожидаются прорывы, судя по тому, на что делают ставку российские университеты? И есть ли среди этих направлений химия?

— Для отбора университетских проектов для программы «Приоритет 2030» мы заслушали почти двести университетов, и почти все они медико-биологическое направление развивают как основное, которое обеспечит им прорыв в ближайшие десять лет. Это не просто дань моде, объективно вопросы, связанные с качеством жизни, продолжительностью жизни, с лечением опасных болезней, и без того были самыми волнующими для человечества, а сейчас еще и коронавирус прибавил к ним интереса.

Химия является основой всех этих процессов. Химия везде, где мы говорим о молекулах. В центре биомедицинских исследований стоит молекулярная биология, и хотя в этом названии слова «химия» нет, но сама химия есть. Некоторые химики несколько ревнуют, когда очередную Нобелевскую премию по химии дают как бы за биологию. Но это не так: большинство «биологических» Нобелевских премий по химии дали за молекулярную биологию, то есть на самом деле за химию.

— А Нобелевка этого года за создание асимметричного органокатализа — это «чистая» химия?

— Да, премия этого года — прямо за химию. Но и это напрямую связано с лекарствами, с фармацевтической химией. И в этом общемировой тренд.

— Какие тренды в проектировании новых лекарств?

— Прежде всего это адресная доставка. В моей специальности, радиохимии, задача состоит в том, чтобы найти биологическую молекулу, которая специфично в организме идентифицирует патологические органы или ткани на фоне здоровых, накапливается именно в них. Мы к этой молекуле «пришиваем» разными химическими способами (если это металлы, то комплексами, если это галогены, то ковалентной связью) радиоактивные атомы. Они накапливаются в нужных нам тканях, и затем по излучению мы можем сделать точную молекулярную визуализацию. А это значит, что по излучению мы знаем, что есть какая-то патология, мы ее можем обрисовать, чтобы затем подобрать терапию.

Кроме онкологии эти методы применяются в ранней диагностике и прогнозировании сердечно-сосудистых заболеваний, которые являются основной причиной смерти людей. Кроме того, нейродегеративные заболевания. Мы можем за десять-двадцать лет предсказать склонность к болезни Паркинсона у пациентов, у которых никаких клинических проявлений нет. А ведь зачастую пациент приходит в клинику тогда, когда уже есть явные внешние проявления болезни, когда уже трудно лечить, когда речь идет уже о том, чтобы только затормозить процесс, а вероятность полного излечения существенно меньше.

Наши методы ранней диагностики делают ее более простой и вполне доступной для массовых скринингов. В Америке это уже огромный бизнес, огромные деньги крутятся в этой сфере. Только в радиационной медицине в США проводится 20 миллионов диагностических процедур в год! То есть это уже рутина, стандартные процедуры, которые помогают оценить предрасположенность к заболеванию либо увидеть болезнь на начальных этапах ее развития. Сейчас диагностические процедуры составляют порядка 90 процентов рынка радиационной медицины. И этот рынок только набирает обороты.

И точечная доставка в ткани и органы — основной тренд не только в радиационной медицине, но вообще в фармацевтике. На этом принципе основано действие всех высокоэффективных лекарств.

— А как устроена адресная доставка? Что заставляет вещество выбирать те или иные клетки или органы? Внутри организма биологические молекулы находят нужные клетки по специальным рецепторам на них. А как новые химические вещества находят цель?

— Примерно так же. Скажем, раковая клетка (поскольку она постоянно делится и растет) вообще склонна больше веществ захватывать. Количество рецепторов на клеточной мембране у раковых клеток значительно больше, чем на обычной клетке. Соответственно, у нас есть в составе молекулы фрагменты, которые позволяют определить именно раковую клетку за счет того, что с ней большая вероятность связывания. Далее важно, чтобы ваша молекула (которая должна провести либо диагностическую, либо терапевтическую операцию) не просто осталась на клеточной мембране снаружи, но и попала внутрь клетки. И в ряде случаев важно, чтобы она попала не просто в цитоплазму, а в ядро или в митохондрию, где действие вашего вещества наиболее сильно. Например, в случае терапии мы присоединяем короткоживущий радиоизотоп к веществу-доставщику, и если он попадает в ядро, то эффективно и быстро убивает раковые клетки, не повреждая здоровые. За короткое время жизни радиоизотоп должен точно попасть туда, где с наибольшей вероятностью убьет рак. Фактически это мощнейшая лучевая терапия, но она вообще не затрагивает соседние здоровые клетки. И если мы находим молекулу, которая способна обеспечить доставку радиоизотопа в ядро или в митохондрию раковой клетки, то вероятность гибели таких клеток резко увеличивается, соответственно, намного увеличивается терапевтический эффект и уменьшаются дозы, которые нужны каждому конкретному пациенту, чтобы обеспечить эффективное лечение.

— С опухолевыми клетками более или менее понятно. Они действительно очень особенные. А как диагностируются с помощью радиодиагностики, например, сердечно-сосудистые заболевания?

— Здесь как раз все очень просто. Это один из тех примеров, когда радионуклид, использующийся в диагностических целях, вводится в составе очень простой химической формулы. Радионуклид в данном случае — это рубидий-82. В ионной форме рубидий ведет себя точно так же, как обычный для организма калий, это означает, что он проникает в клетки кровеносной системы благодаря молекулярным клеточным насосам. Период полураспада у него очень маленький — всего две с половиной минуты, это значит, что мы можем видеть работу миокарда и любые другие части кровеносной системы в динамике — например, в спокойном состоянии и в движении. Соответственно, мы можем целиком визуализировать всю сердечно-сосудистую систему и определять патологии на очень ранней стадии и предрасположенность к сердечно-сосудистым заболеваниям. Мы с «Росатомом» сейчас находимся на стадии внедрения этого препарата в России. В США он достаточно давно используется, годовой рынок одного рубидия-82 оценивается в два с половиной миллиарда долларов.

— Мы во всей этой сфере в догоняющем режиме или у нас есть что-то, что впереди всех?

— Еще в 1970‒1980-х годах мы были в авангарде всего, что связано с атомными технологиями, не только военными, но и мирными, в том числе медицинскими. Поэтому и связанная с этим химия была передовой — разделительная химия, методы выделения и очистки, методы наработки медицинских радионуклидов. К сожалению, демодернизационные процессы, которые шли в 1990-е годы, недофинансирование, очень здорово отбросили нас в хвост в общемировой картине высокотехнологичной медицинской помощи. К тому же многие из новейших и технологичных процедур дорогостоящие, не все из них и не в полной степени покрываются страховой медициной. В результате получается, что на нашем рынке спрос-то есть, и он большой, но он малоплатежеспособный. А в развитии медицины драйвером инноваций является спрос.

Да, по многим параметрам мы сейчас объективно отстаем, но не на уровне разработки, а на уровне внедрения в каждодневную клиническую практику. На уровне разработок есть абсолютно фантастические идеи, которые опережают всех в мире. Передовые научные группы у нас есть, причем они нацелены на достижение реальных практических результатов, в нашем случае — на создание конкретных препаратов.

— Например?

— В Институте биологии гена, на биофаке МГУ под руководством члена-корреспондента РАН Александра Сергеевича Соболева в очень тесном в сотрудничестве с «Росатомом» и с Федеральным медико-биологическим агентством работает группа, которая разрабатывает так называемые модульные нанотранспортеры — искусственные белковые молекулы, которые обеспечивают точечную доставку препаратов в ядро и митохондрию раковых клеток. Уже показана их эффективность в лаборатории, в ближайшие годы можно дойти до стадии доклинических испытаний как минимум.

— Как устроена эта «ракета», которая попадает в клетку, потом в ядро и митохондрию?

— Эти искусственные, сконструированные белковые молекулы состоят из разных частей, но соединены в один модуль. Отсюда и название – «модульные нанотранспортеры». Во-первых, это наноразмерные величины, во-вторых, они состоят из разных функциональных модулей. Каждый из кусков этой молекулы отвечает за свою работу: за распознавание рецептором на поверхности клетки, за транспорт внутри клетки в мембранных пузырьках, затем за разрывы пузырьков в цитоплазме, за связь с альфа- и бета-импортинами (белками, которые могут эффективно транспортировать молекулу в ядро), за удержание радионуклеотида.

Нейросети и сверхпроводники

— Для проектирования новых медицинских молекул под конкретную мишень в последнее время часто используют искусственный интеллект. Как у нас с этим?

— Здесь мы как раз очень неплохо выглядим. Нейросети используются, во-первых, для предсказания свойств молекул на основе их структуры и, во-вторых, для предсказания их поведения в организме, какой путь проходят, с какими рецепторами связываются. И мы уже даже из относительно небольших выборок в сотни молекул можем предсказывать с помощью искусственного интеллекта, какие молекулярные фрагменты за какие свойства этих молекул отвечают. Это действительно очень здорово развито, очень во многих наших институтах и университетах, в том числе на химфаке МГУ. Направление очень перспективное, потому что оно фактически позволяет сделать первичный отбор того, что дальше может потенциально пойти в экспериментальную практику уже на стадии доклинических исследований.

Кафедру медицинской химии на химфаке МГУ создал академик Николай Серафимович Зефиров, один из создателей современной математической химии, моделей, позволяющих вычислять свойства молекул по их структурам, один из самых цитируемых химиков на протяжении долгого времени. К сожалению, его уже нет с нами, он умер в 2017 году, но его ученики публикуют очень сильные работы, в том числе по использованию нейросетей доя предсказания свойств молекул.

Причем направление это возникло, когда о суперкомпьютерах и современном буме нейросетей речи еще не шло. Но уже тогда у нас возникло действительно прорывное направление, связанное с докингом*. На его основе было предсказано действие очень многих молекул.

Я могу привести пример из своей практики. Это не медицина, но очень важная сфера — технологические системы по разделению и концентрированию веществ, когда из сотен молекул мы должны научиться распознавать именно ту, которая будет иметь связь с конкретным катионом. Эти методы имеют большие перспективы, потому что позволяют сильно сэкономить труд экспериментаторов, в том числе химиков-синтетиков. Вместо того чтобы искать пути многостадийного и нелегко синтеза (а потом и очистки) сотен веществ, можно работать с единицами формул, которые нам подсказывают вычисления.

— А что с химией материалов? «Эксперт» рассказывал (в статье «Материал для победы», № 9 от 22 февраля 2021 года) о композитном крыле, которое сделали завкафедрой химической технологии и новых материалов Виктор Авдеев и его НПО «Унихимтек» для самолета МС-21. Что есть еще?

— В лоне кафедры неорганической химии МГУ выросла компания «СуперОкс», которая занимается сверхпроводящими материалами. Есть понятная для публики перспектива — левитационный транспорт на магнитной подушке. Я думаю, что в ближайшее время будет наблюдаться прорыв в этой области. Пока в Китае показана скорость поезда на магнитной подушке 600 километров в час. Это пока демонстрационный образец, и он нерентабелен с точки зрения энергозатрат. Но то, что будет прорыв в ближайшие годы в области сверхпроводников, которые используются как раз вот для таких подходов, как левитация, уменьшение трения, сопротивления и так далее, — это абсолютно точно. И это помимо того, что разработки «СуперОкс» уже используются в термоядерных установках, в том числе в строящемся международном проекте ИТЭР.

Кроме того, у нас разрабатываются материалы для фотоники, для медицинских применений, для экологических целей, скажем, различные сорбенты, материалы, которые, например, позволяют извлекать методами микроультрафильтрации опасные компоненты из воды. Ну и конечно, то, что вы сказали: углеродные материалы, легкие композиты, которые позволяют, например, сделать композитное крыло среднемагистрального самолета МС-21.

— Графенового прорыва пока не случилось, в смысле, не в изучении, а в применении? (Андрей Гейм и Константин Новоселов получили графен в 2004 году, а в 2010-м были удостоены за это Нобелевской премии — и ожидались прорывы и в наноэлектронике, и в материаловедении.)

— На самом деле исследования идут. Обычно после появления научной моды, какого-то важного открытия, как случилось с графеном, идет бурный рост научных публикаций, а потом спад. Тематика графена сейчас на стадии спада. Но надо понимать, что именно в момент такого спада и рождаются реальные и практические приложения: мода схлынула, а перспективные вещи дозревают. Будут применения и в электронике, и в сенсорике, в том, что входит в наш обиход. Окисленные графены используются как дешевые и хорошие материалы для очистки растворов, для сенсоров. Их применение на самом деле, может быть, сейчас не столь гигантское, как виделось на пике бума публикаций, но эти приложения очень важны и интересны.

Химия климата

— А может химия помочь климату? Климатолог Александр Чернокульский нам сказал, что прорыв в теме борьбы с выбросами, мог бы случиться, если бы химики решили задачу эффективного поглощения углекислого газа из атмосферы.

— Здесь есть несколько подходов. Относительно грубые подходы предлагают связывать и закачивать избыточный СО2 в геологические формации. А есть и более интересный подход, и сейчас очень много этим занимаются, в том числе в Институте органической химии РАН. CO2 может быть первоисточником для малотоннажной синтетической химии. И вот это, на мой взгляд, имеет очень большие перспективы, потому что это дешево и, опять же, экологично. Экологично, потому что это химия без растворителей. Раз уж нам все равно (к сожалению или к радости) играть по новым правилам в мировой экономике и поглощать выбросы, то правильно было бы делать это с умом.

— Насколько это научно сложная задача? Или там только технологическая сложность?

— Это решаемая задача, не очень сложная. Другое дело, что, конечно, она потребует перестроить производства. Какой бы ни был простой синтез, понятно, что под него нужно создавать соответствующую технологическую инфраструктуру, а до этого таких задач почти не ставилось. До сих пор не было цели как можно больше поглотить CO2, ставилась задача синтеза каких-то молекул, где CO2 мог бы быть использован как субстрат. И это большая технологическая перестройка, это небыстро происходит. Поэтому, если говорить о крупнотоннажных вещах, то большую роль будет играть поглощение углекислого газа в природе и сокращение эмиссии. Но вся поглощающая способность наших лесов перечеркивается такими событиями, как лесные пожары, которые мы в это лето наблюдали. Эмиссия в результате пожаров целиком перекрывает поглощающую способность всех лесов Сибири. Меры, связанные с восстановлением нормального лесного хозяйства, и обеспечение пожаротушения вовремя сразу даст большой эффект.

— А где химия в новой энергетике? Водород?

— Да, бум в водородной энергетике. Это даже стало хайпом. Когда мы слушали заявки университетов в рамках «Приоритета 2030», меня поражало, что все поголовно занимаются водородной энергетикой. К сожалению, у многих это пока только слова, хотя есть очень серьезные и университеты, и компании, и научные институты, которые в этой теме на очень серьезном уровне. И в области получения водорода это и пиролитическое получение, это и электролиз в том числе на электричестве атомных станций. Есть исследования, связанные с накоплением и транспортировкой водорода. Это тоже очень серьезная химия, связанная с материалами и технологиями. Например, известен эффект водородного охрупчивания стали, это изучалось и в ядерной энергетике: водород делает хрупкими материалы, традиционно используемые в энергетике. И поскольку водорода будет много, нужны совершенно другие подходы, новые материалы.

— Почему?

— Много сейчас обсуждают возможность переделки природного газа в водородное топливо. Насколько это сложная химия?

— Я все время о ядерной энергии, но и в водородной теме она очень важна. Это и электролиз воды с помощью электроэнергии. Но это и пиролиз природного газа, который можно осуществить с помощью ядерных источников тепла. Тем более что в европейской части России есть избыток ядерной генерации.

— В солнечной генерации кремниевые фотоэлементы уже стали достаточно экономичны? Или идет поиск другого типа фотоэлементов?

— Идет поиск материалов с более высоким КПД. И многие материалы обладают такими свойствами. Но есть другая проблема. Скажем, проблемы свинецсодержащих материалов — это, во-первых, их долгосрочная устойчивость (они постепенно разрушаются) и, во-вторых, экологичность производства. К тому же у нас в стране сейчас нет добычи свинца. Весь свинец, который у нас есть, — это либо рециклинг того, что у нас есть, либо импорт.

Чудо-стены и судьба химии

— А какие еще современные практические направления химии активно развиваются?

— Химия в быту. Я имею в виду экологичный и экономичный дом. Например, идут поиски материалов для того, чтобы сами стены домов вместо кондиционеров регулировали бы температуру в доме (во всяком случае, участвовали бы в регуляции). В жаркую погоду за счет тех или иных процессов в материале могло бы происходить высвобождение холода, поглощение тепла, и наоборот, тепло удерживалось бы. Кстати говоря, наши крупные энергетические компании заинтересованы в таких исследованиях. Пока они на стадии фундаментальных разработок, но, по-моему, очень перспективных.

— По какому принципу могли бы работать такие чудо-стены?

— У нас этот вопрос исследуется на кафедре физической химии МГУ. Интересны материалы, у которых фазовые переходы осуществляются при тех температурах, при которых могут быть сезонные колебания температур, и эти фазовые переходы сопровождаются, соответственно, либо поглощением тепла, либо, наоборот, эмиссией тепла.

— Они замерзают и плавятся, а в процессе берут или отдают тепло?

— Грубо говоря да, но вряд ли было бы удобно, если бы стена действительно расплавилась. Это композиты из прочной матрицы, в поры которых добавлены вещества, способные к терморегуляции.

— Что с химией вообще происходит? В прошлом веке был период «химизации», химия была главной наукой человечества. А сейчас? Есть ли концептуальное, теоретическое, мировоззренческое ядро химии? Или оно распадается на физическую химию, на биологическую, на разные другие химии?

Если говорить о ядре химии… Конечно, бурно развивается химия на стыке с другими науками. Но междисциплинарность — это основной тренд во всех науках. Иногда говорят «конвергенция наук». Получение радионуклидов — физика: ускорители частиц, мишень. Затем химия: надо быстро, технологично выделить, очистить, пометить молекулу. Затем биология, которая изучает механизмы действия биологически активных молекул, находит лекарство. И дальше — медицина, область применения.

Отсюда вызовы системе образования. Нужны так называемые Т-компетенции, сочетающие глубокие знания в своей области и широкий кругозор. Поэтому, наверное, ядра у современной химии, как и у всех остальных наук, как такового нет, и это нормально. В свое время все эти науки выросли из естествознания, и сейчас опять в какой-то степени они снова возвращаются в него.

— А что за дети идут именно на химфак — не на физфак и не на биофак?

— Очень увлеченные дети. Это дети, которые очень любят именно химию. Мы это точно знаем. Раньше было две волны при поступлении. И у нас было больше 80 процентов тех ребят, кто уже в первой волне приносил оригиналы школьных дипломов. Эти дети целенаправленно хотели заниматься химией в МГУ, а не отдать заявления сразу в десять вузов. Мы были на первом месте по этому параметру по всему университету, в котором 40 факультетов. Сейчас у нас набор 200 с небольшим человек. Из них в этом году 50 — это призеры олимпиад, это действительно топовые ребята. Контингент, что удивительно, вот даже в самые тяжелые времена не становился хуже. Это удивительно, несмотря на то что, казалось бы, падает качество школьного образования, маленькая зарплата учителей, особенно в провинции, и нельзя сказать, что химик — это самая престижная работа. Но тем не менее уровень ребят — способных, толковых — каждый год очень высок.

— И кем они потом становятся в основном?

— Мы подробно интересуемся судьбой выпускников начиная с 2012 года, скоро будет опрос выпускников за последние десять лет. В последние четыре-пять лет 80 процентов наших выпускников работает по специальности. В науке, но не только: кто-то пошел в бизнес, в компании, где химики очень востребованы, — удобрения, нефтехимия, фармацевтика, энергетика. Но больше половины пошла к нам аспирантуру, еще половина от половины, наверное, в институты РАН и другие аспирантуры.

— И как у нас сейчас с научным стартом? Условия изменились по сравнению с тем, что было десять-пятнадцать лет назад?

— Я окончил химический факультет в 1996 году. Мало что можно хорошего вспомнить о научной жизни в университете тех времен, не хватало примитивных веществ, неотапливаемые помещения, руки опустились у многих. Сейчас, конечно, иначе. На химфаке в целом почти 70 процентов — иногородние ребята, и они все потом очень хорошо устраиваются. У меня в лаборатории на кафедре радиохимии тоже примерно 70 процентов ребят остались в Москве. У них есть возможность арендовать или купить жилье. Понятно, что не в центре Москвы, но тем не менее. Я не мог себе представить в 1990-е годы, что я могу независимо от родителей где-то жить.

Понятно, что есть очень много чего еще, к чему у меня и у моих коллег есть большие претензии. Это, например, скорость закупок, скорость доставки реагентов, оборудования. Когда я работал за границей, мне максимум через несколько дней доставлялся любой реагент, а у нас, понятно, проходят месяцы. Но зарплаты уже соизмеримы, хотя очень дифференцированы. Все очень сильно зависит от научного руководителя, от того, насколько он участвует в программах, проектах, насколько пытается ассоциировать свои исследования с серьезными заказчиками, программами и грантами.

— Это только МГУ? А как в других университетах?

— По опыту участника комиссии при Минобрнауки по проекту «Приоритет 2030», мне показалось, что происходят серьезные институциональные изменения в отношении к университетам в регионах. При рассмотрении заявок три губернатора лично поддержали заявки и сказали, что готовы софинансировать проект, предлагаемый университетом. Университеты становятся мыслительным центром региона по разработке и принятию решений, и это очень позитивно. Появилось несколько очень ярких университетов в провинции, где пришли молодые команды, для меня это очень приятно, когда видишь абсолютно адекватного нового молодого руководителя небольшого провинциального университета. Шестьдесят процентов получателей грантов по этой программе — не Питер и не Москва, чаще всего традиционно сильные региональные университеты, например университеты Томска очень хорошо выступили. А через год мы посмотрим, как вузы воспользовались этими средствами, есть возможность как входа в программу новых участников, так и выхода из программы в случае неудовлетворительных результатов. Эти гранты будут иметь большое значение особенно для региональных университетов, так что можно надеяться на прорывы в науке и технологических разработках в регионах.

Источник