Наночастицы меланина могут обезвредить фосфорорганические нервно-паралитики и защитить одежду

Наночастицы могут в будущем дать новый способ защиты солдат и работников от смертельных нервно-паралитических веществ на передовой и на рабочих местах.

В новом исследовании учёные Северо-Западного университета разработали соединение на основе наночастиц, которое можно смешивать с красками или красителями для тканей и которое ограничивает действие химикатов, характерных для пестицидов, инсектицидов и нервно-паралитических агентов.

Производители потенциально могли бы добавлять такие наночастицы в защитную одежду и респираторы для работников, подвергающихся риску, а также в военную форму и тактическое снаряжение; кроме того, после вероятного контакта с опасным веществом человек мог бы опрыснуть одежду водой с этим соединением, чтобы дезактивировать химикат до проявления системных эффектов.

Результаты исследования опубликованы 25 августа в журнале ACS Nano.

По словам авторов, их биоподобный алломеланин нетоксичен и может использоваться как добавка при окрашивании тканей; ранее команда уже демонстрировала возможность его применения для крашения синтетических материалов.

Натан Джаннески указан в статье как один из авторов.

Соавтор-корреспондент — Омар Фарха; Фарха — профессор химии Чарльза Э. и Эммы Х. Моррисон в Вайнбергском колледже искусств и наук и заведующий кафедрой химии. Джаннески — профессор химии Джейкоба и Розалины Кон в Вайнберге, а также профессор материаловедения, инженерии и биомедицинской инженерии в Инженерной школе Маккормика.

В исследовании команда стремилась имитировать естественные механизмы нейтрализации фосфорорганических соединений — токсичных веществ, содержащихся в некоторых нервно-паралитических агентах и пестицидах — и сосредоточилась на алломеланине, возобновляемом биоразлагаемом пигменте, который окрашивает растения и грибы.

Исследователи синтезировали алломеланин и использовали его естественную пористую структуру, способную захватывать мелкие молекулы; затем в материал встроили циркониевый кластер — металлический фрагмент, который катализирует химические превращения. В связке алломеланин поглощает токсичное вещество, а цирконий способствует его разрушению.

Аспирантка София Аман и другие участники подчеркнули, что внутренняя микропористость алломеланина оказалась ключевой: другие меланиноподобные материалы без такой пористости показали меньшую эффективность, поэтому пористый алломеланин выступил как более подходящая «основа» для захвата и переработки молекул.

Для протекания каталитической реакции требуется щёлочная среда с pH около 10 и выше. Вместо того чтобы добавлять внешние щёлочи, авторы модифицировали поверхность наночастиц основными функциональными группами; при увлажнении водой такие частицы активируются и начинают расщеплять вредные фосфорорганические соединения. При распаде фосфорорганического агента образуются два побочных продукта, и именно один из них представляет основную опасность.

Одно из образующихся веществ — диметилфосфат — считают нетоксичным, тогда как второе (метилнитрофенил) препятствует работе ферментов, разрушающих нейромедиатор ацетилхолин. Если эти ферменты блокируются, ацетилхолин накапливается в нервной системе и нарушает передачу сигналов между мозгом и телом.

В эксперименте учёные показали, что алломеланин способен захватывать исходный токсин и способствовать его разрушению так, чтобы в итоге снижалось количество опасного побочного продукта и его активность. В частности, через 10 минут концентрация токсичного побочного продукта уменьшилась примерно на 50% и продолжала снижаться при увеличении количества меланина и воздействии солнечного света.

Авторы отмечают, что ранее их группа разрабатывала каталитические металлоорганические каркасы (МОФ), эффективные в поглощении и переработке боевых отравляющих веществ; текущая работа переносит часть этих идей в материалы на основе меланина, который по природе клейкий и служит красителем для волокон, сочетая адсорбционные свойства пигмента с каталитическими свойствами неорганических компонентов.

Наблюдали и дополнительный эффект: меланин поглощает солнечный свет и тепло, поэтому при облучении процесс детоксикации ускоряется.

Джаннески и соавторы указывают, что многолетние исследования функций меланина дали основу для оптимизации материалов и их разработки для практических приложений и что результаты подтверждают концепцию нового подхода к дизайну защитных покрытий и материалов.

Название исследования: «Каталитический пористый металлизированный меланин для восстановления фосфорорганических агентов». Работа поддержана Управлением научных исследований ВВС (FA 9550-18-1-0142 и FA 9550-18-1-0477), Армейским центром синтетической биологии по проектированию прогнозируемых материалов (W911NF2220246 P00002) и Центром разработки катализаторов для декарбонизации (DE-SC0023383).