Светящиеся растения, безотходный реактор и «зеленая» химия: удивительные открытия лауреатов Национальной премии «Вызов»

Свечение живых организмов издавна привлекало внимание человечества. Еще Плиний Старший отмечал свет в море, который был вызван особыми микроорганизмами. Летом такой эффект можно увидеть ночью на Черном море. Люминесцирующие насекомые – светлячки – вошли в фольклор многих народов. Существуют люминесцентные бактерии, морские животные, насекомые, грибы. Биологам известно более 700 видов люминесцентных животных.

При биолюминесценции свет испускает органическая молекула люциферина, которая под действием фермента люциферазы и кислорода окисляется, а затем возвращается в исходное состояние с испусканием кванта света.

Группе Ильи Ямпольского удалось полностью встроить все гены, отвечающие за синтез самой люциферазы и производство люциферина грибов в различные растения, затем добиться усиления свечения в сотни раз. А после наладить коммерческий выпуск комнатных светящихся растений, параллельно продолжая научные исследования – поиск новых люциферинов и улучшение характеристик растений.

Комнатные растения — только начало. Пока растения светятся на уровне флуоресцентных циферблатов часов, но ученые собираются увеличить яркость свечения в десять раз и получить, например, светящиеся деревья — тогда по ночному городу можно будет ходить без фонарей над головой, прямо как в фильме «Аватар». Но это не все — разработанный Ямпольским метод переноса целых биохимических цепочек из царства в царство может использован в будущем для решения такой важнейшей проблемы, как фиксация азота самими растениями, что решит проблему добавки в почву азотных удобрений и совершит революцию в сельском хозяйстве.

В номинации «Инженерное решение» победил заместитель генерального директора Высокотехнологического научно-исследовательского института неорганических материалов имени академика Бочвара Михаил Скупов — за создание технологии промышленного производства нитридного ядерного топлива.

В отличие от традиционного ядерного топлива, представляющего собой таблетки обогащенного оксида урана и использующегося в реакторах на тепловых нейтронах, нитридное можно применять в реакторах на быстрых нейтронах. Это означает, что в процессе топливного цикла не только происходит расходование топлива в виде урана-235 и плутония, но и получение плутония из урана-238, что дает возможность использовать этот изотоп (которого в природном уране – 99,3% по массе) как ядерное топливо. А это, в свою очередь, на несколько порядков увеличивает запасы ядерного топлива на планете – с десятков до тысяч лет.

Ученым года стал академик РАН, заведующий кафедрой радиохимии химического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова Степан Калмыков. В радиохимии есть три направления, которыми занимается лауреат: химическое разделение радиоактивных элементов из отработавшего ядерного топлива, работа с радиоактивными отходами и ядерная медицина. Основные достижения Степана Калмыкова находятся в области работы с радиоактивными отходами.

Под его руководством удалось разработать технологию химического разделения радионуклидов в отработавшем ядерном топливе с тем, чтобы долгоживущие минорные актиниды можно было «дожигать» в создающихся в нашей стране реакторах на быстрых нейтронах, а остающиеся короткоживущие требовалось захоранивать всего на несколько сотен лет, что можно обеспечить уже имеющимися технологиями – в том числе при помощи метода выбора глинистого материала для «закупорки» упаковок с отходами. Это позволит замкнуть ядерный топливный цикл и решить сразу две проблемы – ограниченного количества ядерного топлива, превратив уже накопленные отходы в новое топливо, которого хватит на тысячи лет, и гарантированно безопасного захоронения оставшихся радиоактивных отходов.

Научный комитет присудил премию в номинации «Перспектива» за разработку методов образования новых химических связей с участием электрического тока и органических пероксидов доктору химических наук Вере Виль из Института органической химии имени Зелинского. Вера – первая женщина-лауреат премии.

Химики-органики, живущие в XXI веке, могут синтезировать, наверное, почти любую молекулу. Однако, чаще всего, этот синтез будет долгим, неэффективным, дорогим и проходить в много стадий. Работа группы под руководством Виль направлена на создание более эффективных способов синтеза новых соединений (а это означает создание новых химических связей) с использованием окислительных реакций, то есть – «удаления» электронов из молекулы или – согласно другому определению – введению атома кислорода в органическую молекулу. В своих синтезах Вера использует оба подхода. При этом в создании новых молекул ученая использует либо метод окисления с использованием органических пероксидов, либо – «чистого» окислителя, электрического тока.

Электрохимические методы окисления, разработанные Виль, позволили создавать новые связи между атомами углерода или атомом углерода и другими типами атомов (кислород, азот) с минимумом побочных продуктов, что позволяет развивать методы «зеленой» химии.

Одно из важных применений новых пероксидов – в полимерной промышленности. Пероксиды, распадаясь на свободные радикалы, могут быть инициаторами полимеризации, с них начинается построение длинных полимерных молекул. Еще более важное применение пероксидов в химии полимеров – их способность к поперечному соединению длинных молекул, переводя одномерную структуру полимера в двумерную, меняя и «настраивая» его свойства.

То, что пероксиды могут быть опасны для микроорганизмов и грибов, известно давно. Один из самых известных пероксидов — препарат артемизинин, проявляющий противомалярийную активность, который был открыт нобелевским лауреатом Ту Юю (Китай). Вера Виль сумела показать, что синтезированные ей пероксиды – прекрасные фунгициды, препараты, защищающие сельскохозяйственные растения от грибов. Более того, эксперименты с новыми веществами проводились в разных климатических зонах и были успешны, а сами пероксиды после того, как выполнили свою функцию, превращаются в почве в вещества, не опасные ни для растений, ни для человека. Такие вещества могут стать основой и для фармакологических препаратов.

Если вы дочитали до этого момента, значит вы дошли до самой трудной для понимания номинации — «Открытие». Научный комитет присудил премию в этой номинации за изобретение реакции, определившей клик-химию и преобразившей молекулярные науки и химию живых систем профессору Валерию Фокину из Университета Южной Калифорнии.

Изначально концепция клик-химии сформулирована дважды нобелевским лауреатом по химии Барри Шарплессом. Он предполагал, что можно подобрать набор простых, надежных и быстро протекающих с высоким выходом реакций, при помощи которых можно легко и дешево синтезировать самые разнообразные сложные органические молекулы. Слово «клик» в данном случае – звукоподражание щелчку застежки-фастекс, которая закрывается «до щелчка».

Но саму реакцию азид-алкинового присоединения изобрел как раз Валерий Фокин. Точнее – изобретение той ее формы, которая катализируется ионами меди, которые получаются добавлением в реакцию медного купороса и аскорбиновой кислоты, которая восстанавливает двухвалентную медь в одновалентную. Реакция Фокина идет в растворе, всегда и везде – в том числе в живой клетке.

Созданная Фокиным реакция изменила предназначение клик-химии. Вместо конструктора, в котором клик-реакции собирают сложные молекулы из простых частей, вставляя их «до щелчка», науки (не только химия, но и медицина, биология, фармакология и генетика) получили универсальную и надежную молекулярную «застежку», которой можно «пристегивать» фрагменты молекул к другим биомолекулам или частям живой клетки – хоть к молекуле ДНК, хоть к антителу.

Общий премиальный фонд премии «Вызов» в этом году составил 60 млн рублей, а денежная премия в размере 12 млн рублей выплачивается в каждой из пяти номинаций.