Вероватно је свако од нас барем једном размишљао о томе како је нежива материја једном постала жива. Где је та граница? У чему је суштинска разлика? Који су услови за овај прелаз? Може ли се то вештачки створити?
Показало се да хумински системи омогућавају такав прелаз, подржавајући живот у свој његовој разноврсности. Шта су то хумински системи, зашто је важно проучавати их и које нам нове могућности пружају, објашњава Ирина Перминова, доктор хемијских наука, професор, руководилац лабораторије природних хуминских система на Катедри за медицинску хемију и фини органски синтез Хемијског факултета Московског државног универзитета (МГУ).
Век сложне материје
Главна област нашег интересовања је природна органска материја. Радимо на споју живог и неживог. Хуминске материје су производ разлагања целе живе органике, у које се претварају биљке након одумирања. Оне играју веома важну улогу у очувању и одржавању живота у природи јер чине неживу материју погодном за живот живих бића. Биљке, умирући, саме ђубре земљиште. Такви системи као што је земљиште, могу постојати само захваљујући томе што постоје наши хумински системи.
Жан-Мари Лен, добитник Нобелове награде за хемију из 1987. године, први је дао дефиницију супрамолекуларне хемије. Он је, хвала Богу, још увек жив и бави се хемијом сложених система на Универзитету у Стразбургу (Француска). Слушала сам га 2019. године у Паризу, где је говорио на конгресу посвећеном 100-годишњици Међународног друштва чисте и примењене хемије (IUPAC). Изузетан мислилац, филозоф и сјајан хемичар. Рекао је: „Сви знају шта је главно питање биологије. То је порекло живота. Сви знају главно питање физике — порекло нашег свемира. А шта је главно питање хемије?”
То је питање како је настала сложена материја. Он сматра, а ја се с њим потпуно слажем, да је XXI век век сложене материје, сложених система. Ово је звездани тренутак за моју науку, јер сам се хуминским материјама почела бавити још 1982. године. И ево, већ 40 година покушавам да одговорим на питање шта су хумински системи. Могли смо само да се наклонимо пред нашом супстанцом и рећи да нас она непрестано учи. Захваљујући томе што радимо са тако сложеном материјом, бавимо се, у суштини, свим хемијама одједном.
Знамо, да ништа не знамо!
Шта знамо о хуминској материји? Знамо да је то сложен систем. Знамо много, много више него многи други, о овим материјама. Радимо на томе да им дамо хемијску дефиницију. Али хемијске дефиниције нема. Све постојеће дефиниције су феноменолошке, строго описне или оперативне. На пример, хуминске материје су оно што се извлачи алкалијама из земљишта или чврстих горива (тресет, угаљ). Знамо да потичу из биљака: биљке одумиру, у њиховом саставу се налази ароматски скелет, постоје угљенични, пептидни, фенолни и други фрагменти.
При томе, пошто је то продукт разлагања, настаје огромна количина нискомолекуларних једињења, нешто мање олигомера и веома мало остатака биомакромолекула-прекурсора.
За проучавање молекуларног састава хуминских система радимо са мас-спектрометријом ултрависоке резолуције, што је наш основни алат за разумевање сложености хуминске материје. Само нам је он омогућио да описујемо хумински систем бројкама, и то већ можемо радити. У њиховом саставу видимо око стотину хиљада молекуларних састава.
А сада покушајте сто хиљада молекуларних састава помножити са 107 количини изомера — то је величина хемијског простора који се налази у капљици било које хуминске супстанце коју извучемо из тла, воде или угља. Колико то износи?
Заштитити живо
Природа је управо тако уређена. Њена расподела је сложена. Зашто такве сложености, могло би се запитати? То је један од основних алата којим се природа прилагођава антропогеним, климатским и другим утицајима. То су веома снажни утицаји. Задатак живога је да заштити само себе.
Оно ствара своје окружење, како би могло да постоји у њему. Живо биће не постоји изван свог окружења, оно је средина у којој живи. А хумусна једињења су продукт живота који му ствара услове за опстанак.
На енглеском звучи веома лепо као life sustaining functions, а на руском говоримо функции жизнеобеспечения (животне функције). То су функције које имају хумусна једињења. Она омогућавају биљкама приступ биогеним елементима, везују, на пример, токсичне метале у недоступне комплексе, стварају структуру земљишта — то је наноструктура. Она даје хидрофобност земљишним грудвама, чиме се ствара водоотпорна структура земљишта која се не распада при додиру са водом.
Ево постоји живи организам — како он постоји? Има процесе анаболизма, односно синтезе органске масе, и катаболизма — распада органске масе. Анаболизам плус катаболизам вам даје метаболизам. При томе, ако анализирате метаболите, они вам много говоре: здрави организам, не здрави организам, шта је болест. С друге стране, то су производи који вам обезбеђују живот.
А сад узмимо земљу. На њој постоји само један анаболички процес нагомилавања примарне биомасе — то је фотосинтеза. Сва енергија долази одатле. Биљке узимају ову енергију, дају биомасу. Даље, биомаса се распада, даје метаболите. То су хуминске супстанце. То је системски метаболит. Оне осетљиво реагују на глобално загревање климе, на пример. На понашање људи, на све што се дешава у природи.
Молекуларна кухиња
Бавимо се изучавањем молекуларне организације, истражујемо функције и начин на који хуминске супстанце у природи постају маркери различитих процеса. Најважнији на данашњи дан је Арктик, јер је то климатска кухиња где се дешава јака промена свега на свету. Ове године код нас ће бити одбрана једне докторске дисертације о арктичкој органској материји. Наша Ања Хрептугова је три године за редом ишла на експедиције Северним морским путем, од Архангелска до Источно-Сибирског мора, донела узорке које смо анализирали.
Јасно видимо очигледан тренд промене органске материје од оксидованог ароматског ка востановљеном алифатском на западу ка истоку, јер на истоку сада буквално тече вечна замрзнутост. Органска материја вечне замрзнутости је принципијелно различита, није она која се формира у земљи средњих широта. Она је слабо хумифицирана (неразложена) органска материја. И видимо да се брзо разлаже, јер није обрађена микроорганизмима и била је сахрањена. При томе долази до огромног ослобађања метана и угљен-диоксида.
Имамо јако мало начина, алатки на молекуларном нивоу да бисмо посматрали климатске процесе. Овде, фактички, испред наших очију је целокупна молекуларна кухиња. Радила сам пет година у институту за глобалну климу и екологију и знам колико је тешко вршити таква истраживања, повезујући молекуларну науку и макропроцесе. Обично се оперише само угљеничним токовима. Али ток угљеника је једно, а квалитет угљеника је друго. Ми показујемо да ове супстанце могу бити не само индикатори глобалног загревања, већ и, на пример, трасери водних маса.
Ово је врло озбиљно подручје нашег рада. Учествујемо у пројекту који води дописни члан Руске академије наука Игор Семилетов. То је мега грант добијен од Тихоокеанског океанографског института Далекоисточног огранка Руске академије наука. Ми обезбеђујемо молекуларну хемију, док они обављају све остало.
Природни бафер
Такође се бавимо интеракцијом хуминских супстанци са различитим врстама екотоксиканата: тешким металима, пестицидима, полиароматским угљоводоницима. Показали смо да резултат ових интеракција јесте смањење токсичности. Наше супстанце делују као природни бафери, који омогућава заштиту живих организама од наглог испуштања, од наглих промена услова живота.
Следећи задатак је искористити својство смањења токсичности како бисмо створили технологије за рекултивацију. Посебну пажњу посвећујемо интеракцији између хуминских супстанци и минералних компоненти у земљишту. То се пре свега односи на глинене компоненте. Глина је суштински природни наноматеријал, мања је од 0,2 микрона. У комбинацији са хуминским супстанцама, она ствара јединствене формације.
Слична конструкција се остварује када се океан чисти од нафтних угљоводоника. Када се они избаце на обалу, тамо остаје фолија. Затим долази талас, све се емулгује, разбија. Након тога капљице се облажу глиненим честицама, модификованим органским материјама. Тако се добија тзв. емулзија Пикеринга. Само што је земљиште обрнута емулзија (вода у ваздуху), а ово је директна (уље у води). Капљице нафте, стабилизоване глиненим честицама, добијају негативну пливајућност и почињу да тону на дно. Ова цела глинена компонента савршено се насељава микроорганизмима, који разграђују нафтне капљице. Тако природа функционише.
Генерално чишћење
Наше основно усмерење је адаптивна хемија. Желимо да створимо материјале и технологије засноване на природним процесима. Ово није „зелена” хемија коју су стварали хемичари и хемијски технолози како би добили традиционалне хемикалије новим безбедним методама. Екоадаптивна хемија ствара нове природним процесима слиcне супстанце и процесе. Главне области примене таквих супстанци и процеса су екологија, медицина и пољопривреда.
Имамо много патентних развоја где су описане могућности примене. Имамо још више идеја. Међутим, реализованих на нивоу технологија није толико колико бисмо желели. Развили смо технологију in situ прања земљишта загађеног дизел горивом.
Наша технологија је одговор на Нориљску катастрофу 2020. године, када се излило 20 хиљада тона дизел горива. Била сам члан међуресорне комисије за ту несрећу и лично сам посматрала дешавања. Предложили смо технологију површинског прања, како бисмо уклонили слој дизел горива са обале реке без ослобађања горива у слободном облику.
Суштина је у следећем: узимамо наше хуминске агенсе, бентонит, сигуран емулгатор и правимо Пикеринг емулзију — наносимо наше агенсе за чишћење на обалу, чекамо одређено време, затим испирамо све. У основи смо предложили средство за „генерално чишћење”, како ништа не би мирисало, све би блистало.
Закључак државне еколошке експертизе добили смо прошле године, што отвара могућност за коришћење те технологије. Спровели смо теренска испитивања технологије. Сада свака организација може користити наш развој према потреби.
Доле антибиотикорезистентност
Међу нашим најважнијим плановима су медицински пројекти. Тренутно радимо на био-наноматеријалима за зарастање рана. Композиција наночестица сребра и хуминских супстанци поседује не само својства зарастања рана, већ и антибактеријско дејство. Овај рад се развија у оквиру комплексног пројекта Руске научне фондације (РНФ) из хемије и медицине, где развијамо композиције у области хемије.
Тестирање наших композиција врши Сибирски државни медицински универзитет (Томск). Тренутно смо на завршној фази пројекта, у последњој години рада. Овим радом се веома заинтересовала и придружила нам се Војно-медицинска академија имена С. М. Кирова. Тренутно најинтересантнији резултат који смо постигли је обнављање осетљивости на антибиотике.
Основа антибактеријског дејства наших композиција је сребро. Предност нашег метода синтезе наночестица сребра је у томе што нам нису потребни никакви редукцијски агенси; наночестице се саме формирају из јонског сребра у присуству хуминских супстанци.
Радимо са групом Марине Зикове. Они проучавају биолошку активност наших супстанци и показују да оне немају цитотоксичност, оксидативна својства, већ могу бити добре фармаколошке супстанце.
Знамо да је један од најтужнијих трендова нашег времена антибиотичка резистенција, и имали смо идеју да би комбинација и стохастичност наше супстанце могли успети да отежају препознавање наших антибиотика од стране бактерија.
Успели смо, али само у присуству сребра. Систем функционише управо због ове комбинације. Молекуларни механизам нам није потпуно јасан. Видимо да се повећава проводљивост, али још увек не знамо путем којих молекуларних механизама.
Надамо се да ће пројекат имати наставак. Ове године требало би да пронађемо продужење пројекта и све наше напоре усмеримо на превазилажење антибиотичке резистенције помоћу различитих комбинација.
- Оригинални текст овог рада на руском језику: «Нам пришлось снять шляпу перед нашей субстанцией»
- Ирина Васильевна Перминова. — Лаборатория природных гуминовых систем. — Кафедра медицинской химии и тонкого органического синтеза. — Химический факультет МГУ имени М. В. Ломоносова. —Perminova Lab: perminovalab.ru