Заведующий лабораторией: д.х.н. Трофимов Алексей Владиславович
Телефон лаборатории:+7(495)939-73-58
Почта:avt_2003@mail.ru
В настоящее время лаборатория фото- и хемилюминесцентных процессов ИБХФ РАН объединяет пять научно- исследовательских групп: группу хемилюминесцентных процессов и общей молекулярной фотоники (рук. - д.х.н. А.В. Трофимов), группу изучения фотоники красителей в структурно-организованных системах (рук. - д.х.н. А.С. Татиколов), группу фотоники наноразмерных объектов (рук. - д.х.н. П.П. Левин), группу изучения механизмов регуляции биоэнергетических процессов (рук. - д.ф.-м.н., проф. А.Н. Тихонов) и группу исследования кинетики и механизмов окислительных взаимодействий (рук. - д.х.н. Л.И. Матиенко). В своем нынешнем виде лаборатория сформировалась в 2017 году путем объединения лаборатории фото- и хемилюминесцентных процессов, существовавшей в Институте с 2007 года, с четырьмя другими вышеупомянутыми исследовательскими коллективами.
Основа научного направления лаборатории возникла именно в Химфизике, где в конце 1950-х годов в группе изучения хемилюминесцентных процессов и общей молекулярной фотоники были начаты систематические исследования хемилюминесценции в органических процессах, продолжающиеся и по сей день. Это один из бесспорных и признанных мировых приоритетов Химфизики, поскольку с помощью современной на тот день фотоэлектроники хемилюминесценция была впервые обнаружена в «обычных», медленных реакциях, а не только в «экзотических» процессах. Подробный исторический очерк о становлении и развитии данной области знания в Химфизике опубликован Р.Ф. Васильевым [см. Р.Ф. Васильев, в кн. Панорама современной химии России. Химическая и биологическая кинетика. Новые горизонты. (К 90-летию академика Н.М. Эмануэля), Т. 1, Химическая кинетика, М.: Химия, 2005, с.453-492]. Бóльшая часть этих пионерских работ была выполнена Р.Ф. Васильевым, А.А. Вичутинским, О.Н. Карпухиным, Л.М. Постниковым и В.Я. Шляпинтохом.
Начатое направление быстро переросло в обширную область знаний о превращении химической энергии в свет и придало импульс развитию современных хемилюминесцентных методов для практических приложений во многочисленных областях химии, биологии и медицины. И, конечно, нельзя не вспомнить о том, что темновой способ генерации электронного возбуждения в хемилюминесцентных процессах послужил удобным инструментом для фотофизики. Так, возможность селективно генерировать триплетные состояния карбонилов – продуктов окислительных взаимодействий ‑ впервые позволила обнаружить в жидких средах триплет-синглетный перенос энергии - фундаментальное явление природы, которое сразу же нашло практические приложения.
В последующие годы возник небольшой коллектив, сформированный Р.Ф. Васильевым и его учениками В.А. Беляковым и Г.Ф. Федоровой, который затем и составил основу лаборатории. За три десятилетия в коллективе работало немалое число студентов, аспирантов и стажеров (как соотечественников, так и зарубежных коллег), а двое из дипломников Физтеха – А.С. Зайцев (ныне – глава компании Интерсток) и А.В. Трофимов (нынешний заведующий лабораторией в составе ИБХФ РАН) стали сотрудниками Химфизики. Основными направлениями деятельности сложившегося коллектива стали изучение физических аспектов генерации и переноса электронного возбуждения, исследования механизмов химических взаимодействий, сопровождающихся испусканием света, и кинетики хемилюминесцентных окислительных процессов, а также действия антиоксидантов Одной из наиболее ярких и необычных находок в области исследования антиоксидантов явилось обнаружение в окружающем воздухе эффективнейших перехватчиков свободных радикалов, взаимодействующих с последними с диффузионной (!) константой скорости. Оказалось, что эти летучие антиоксиданты – техногенного происхождения (низкомолекулярные продукты деструкции полимерных материалов), оказывающие существенное влияние на центральную нервную систему млекопитающих.
С самого возникновения ИБХФ РАН коллектив, созданный Р.Ф. Васильевым, вошел в состав Института в качестве самостоятельного подразделения – группы хемилюминесценции (заведующими ее были Р.Ф. Васильев и В.А. Беляков), которая в 2007 году была преобразована в лабораторию фото- и хемилюминесцентных процессов (нынешний заведующий – А.В. Трофимов). За это время к лаборатории присоединились Ю.Б. Цаплев, В.В. Наумов, Т.Л. Вепринцев и А.Д. Малиевский, а в 2014 г. – О.И. Яблонская.
В новом Институте коллектив не только продолжил исследования классических окси-хемилюминесцентных систем и люминофоров для хемилюминесцентного анализа, но и начал ряд новых направлений. Это исследования химии и хемилюминесценции диоксетанов – своеобразных молекулярных аккумуляторов света, четырехчленных кислород-углеродных циклов, при разрушении которых генерируются возбужденные карбонилы, испускающие свет. Изучалась хемилюминесценция диоксетанов, инициируемая как термически, так и переносом электрона Последний способ особенно характерен для триггерных диоксетанов, “сконструированных” по принципу фотобионики (биологический прототип – биолюминофор светляка), и лежит в основе функционирования современных хемилюминесцентных диоксетановых биосенсоров. Объектами исследования явления электронообменной люминесценции стали синтетические аналоги биолюминофоров (предшественников эмиттеров биолюминесценции) светящихся живых организмов.
В развитие концепции взаимообратимости хемилюминесценции и фотохимии был выполнен ряд основополагающих исследований раскрытия гетероциклов при поглощении кванта света. Для изучения этих процессов фотохимическая фрагментация циклоазосоединений послужила удачной модельной системой. Элементарный акт раскрытия таких азот-углеродных циклов под действием света происходит в области пересечения (или, во всяком случае, сближения) поверхностей потенциальной энергии (ППЭ) основного и возбужденных состояний. В этом смысле система совершает свой путь в пространстве ППЭ в обратном направлении по отношению к акту хемивозбуждения при фрагментации кислород-углеродных (например, диоксетановых) циклов. Выполнение этих работ потребовало освоения и разработки ряда новых подходов, включая фотохимические исследования в суперкритических средах.
Интересной особенностью исследованных систем явилось загадочное обращение стереохимии при фрагментации азот-углеродного цикла, обнаруженное Ротом (Roth) и Мартином (Martin) еще в 1967 году. В ходе упомянутых выше исследований задача о механизме этого удивительного явления была, наконец, решена, а разработанные методологии послужили основой для нового универсального подхода к управлению селективностью органических процессов с использованием ключевых вариаций химической структуры и свойств среды. Выработанный на основе полученных результатов способ диагностики координаты реакции по зависимости вязкостного профиля процесса от структуры реагента нашел широкое применение в исследовании движений молекулярных фрагментов в самых разнообразных системах – от энзиматических процессов до молекулярных моторов. Эти подходы были использованы в работах Б. Феринги по молекулярным машинам, удостоенных Нобелевской премии по химии в 2016 г. Работы лаборатории в этом направлении велись в тесном сотрудничестве с группой В. Адама, (Вюрцбургский университет, Германия, позже - Университет Пуэрто-Рико, Сан-Хуан, Пуэрто-Рико, США).
В работах лаборатории давно используются методы квантовой химии. Так, расчеты энергетического профиля термолиза диоксетанов впервые объяснили замечательное, уникальное свойство этих «хранилищ энергии» - неожиданно высокие (до 60 %!) выходы возбуждения триплетного состояния. Кажущееся нарушение закона сохранения спина связано с бирадикальным характером переходного состояния и правилом Хунда, по которому триплет лежит ниже (и потому заселяется эффективнее), чем синглет. Другой пример ‑ исследование необычной реакции оксиранов с β-гидроксиалкилсульфидами. Особенность этой реакции в том, что реагенты как бы обмениваются заместителями, причем не просто соединенными одной связью с остатком молекулы, а включенными в цикл. Расчет показал, что процесс идет через два промежуточных продукта и, соответственно, три переходных состояния; при этом на протяжении всего пути реакции сохраняется (хотя и видоизменяется) межмолекулярная водородная связь, которая в значительной степени и определяет характер каждого элементарного акта. Кроме того, в лаборатории впервые продемонстрирована возможность возникновения диоксетанов в хемилюминесцентных окислительных процессах, ингибированных фенолами. Показано, что при взаимодействии кислорода с феноксильными радикалами могут образовываться четырехчленные циклические, диоксетан-радикальные, структуры. Упомянутые диоксетановые циклы разлагаются на два карбонильных фрагмента, один из которых оказывается электронно-возбужденным. Таким образом, фактически, речь идет об обнаружении нового канала возникновения энергоемких хемилюминофоров в окислительных процессах в присутствии фенольных и полифенольных антиоксидантов (в том числе, природного происхождения).
Одним из наиболее интересных интеллектуальных достижений лаборатории явилась совершенно новая концепция превращения обычной «темновой» реакции в более экзотермическую, хемилюминесцентную реакцию, впервые выдвинутая Ю.Б. Цаплевым.
Суть ее в том, что фотооблучение реакционной смеси, поглощение фотона реагентом, последующие перегруппировка и конверсия в основное состояние превращают реагент в хемилюминофор ‑ своеобразное «хранилище света» с повышенной внутренней энергией и большей реакционной способностью. Его последующее превращение под действием определенного химического триггера оказывается уже достаточно экзотермичным для того, чтобы образовался электронно-возбужденный продукт, испускающий хемилюминесценцию. Это новое явление получило название «хемилюминесценции, создаваемой светом» (ХЛСС) и представляет собой один из объектов исследований, ведущихся в лаборатории в настоящее время. В серии работ лаборатории 2009-2015 годов впервые подробно изучена хемилюминесценция при изменении степеней окисления марганца, что является важным шагом на пути дальнейшего исследования особенностей генерации электронного возбуждения в процессах с участием Mn-зависимых пероксидаз.
Заметная часть работ лаборатории посвящена разработке и использованию хемилюминесцентных подходов для исследования механизмов антирадикальной и антиоксидантной активности природных биоантиоксидантов и их синтетических аналогов и производных – стабилизаторов биоматериалов и ингредиентов лекарственных средств широкого спектра действия. В настоящее время в лаборатории в сотрудничестве с другими лабораториями ИБХФ РАН ведутся также хемилюминесцентные исследования по изучению потенциального влияния использования средств доставки никотина (от традиционных табачных изделий до новых электронных систем) на риск развития окислительного стресса в организме человека (совместно с к.х.н. В.А. Меньшовым). Среди нынешних научных интересов лаборатории следует упомянуть и люминофорные материалы для современных источников света. Исследования проводятся совместно с сотрудниками лаборатории физико-химических основ рецепции (зав. лаб. – академик М.А. Островский) д.б.н., проф. П.П. Заком и к.б.н. Н.Н. Трофимовой.
В лаборатории происходит непрерывное развитие экспериментальных методик – начиная с создания спектрометра рекордной светосилы и кончая совершенствованием фотометров, способных детектировать индивидуальные кванты света. В 2011-2014 годы разработан новый спектрально-кинетический метод исследования хемилюминесцентных процессов с предполагаемой генерацией более одного эмиттера света и на его основе создан двухканальный хемилюминометр, регистрирующий кинетику хемилюминесцентных сигналов одновременно в различных областях спектра. Разработанная методика позволяет разделять хемилюминесцентные сигналы, возникающие в различных каналах реакции, что делает ее эффективным инструментом для изучения сложных хемилюминесцентных систем.
В 2017 г. в ходе реорганизации структуры ИБХФ РАН в состав лаборатории фото- и хемилюминесцентных процессов вошла группа изучения фотоники красителей в структурно-организованных системах (рук. группы - в.н.с., д.х.н. А.С. Татиколова в составе в.н.с., д.х.н. А.С. Татиколова, с.н.с.. к.х.н. П.Г. Пронкина и с.н.с.. к.х.н. Л.А. Шведовой и группа фотоники наноразмерных объектов (рук. – в.н.с., д.х.н. П.П. Левин).
В настоящее время работы группы посвящены изучению спектрально-флуоресцентных и фотохимических свойств полиметиновых (цианиновых) и родственных красителей в структурно-организованных молекулярных и супрамолекулярных биологически важных системах. К таким системам относятся биомакромолекулы (белки, нуклеиновые кислоты и др.), биологические мицеллярные среды (растворы солей желчных и жирных кислот), а также многокомпонентные системы, в частности, магнитные наночастицы с белковыми покрытиями, липосомы, внеклеточные среды организмов. Наряду с получением новых фундаментальных знаний о фотонике красителей в структурно-организованных системах и взаимодействии красителей с их компонентами исследования группы имеют целью разработку спектрально-флуоресцентных и кинетических зондов для анализа и изучения данных систем. Полиметиновые красители являются удобным объектом для этих целей, поскольку имеют высокие коэффициенты экстинкции и их фотоника (спектрально-флуоресцентные свойства, транс-цис фотоизомеризация и гибель фотоизомера, образование и тушение триплетного состояния) зависит от молекулярного окружения. Для мезо-замещенных полиметиновых красителей характерно подвижное транс-цис-равновесие, зависящее от среды, что также может быть использовано при разработке молекулярных зондов. Важным свойством полиметиновых красителей, которое также изучается группой, является агрегация - образование упорядоченных Н- и J-агрегатов, что можно применить при конструировании супрамолекулярных структур, обладающих заданными свойствами. В процессе исследований используются современные кинетические (ламповый и наносекундный лазерный фотолиз, однофотонный счет) и спектрально-флуоресцентные методы. Получены новые сведения принципиального характера о составе и особенности структурирования организованных систем, а также о кинетике элементарных процессов с участием зондов в биомолекулярном окружении. В сотрудничестве с Институтом биологии развития им. Н.К. Кольцова РАН ряд разработанных группой красителей-зондов был успешно применен при анализе реальных биологических объектов – различных тканей глаза в его развитии. В качестве избранных публикаций группы можно упомянуть следующие работы:
Основные направления исследований группы фотоники наноразмерных объектов в составе П.П. Левина и Н.Б. Сультимовой - кинетика быстрых процессов с участием электронно-возбужденных состояний, радикалов и других короткоживущих промежуточных частиц в химических и биологических наноструктурах и гомогенных системах.
За последние годы путем прямой регистрации с помощью методов импульсного фотолиза изучена кинетика быстрых реакций триплетных состояний, радикалов, радикальных пар, изомеров и таутомеров, возникающих в природных и модельных химических и биологических супрамолекулярных и полимерных системах, исходно фотоактивных или содержащих в качестве зондов введенные фотоактивные молекулы. Установлены новые свойства организации таких систем на наноуровне.
Основные результаты для химических систем: обнаружены новые эффекты в полимерных средах; установлено существенное влияние растяжения полимерной пленки на магниточувствительную кинетику рекомбинации радикалов и в клетке, и в объеме полимерной матрицы. Обнаружен пороговый эффект - скачкообразное изменение свойств клетки полипропилена после кратковременного предварительного прогрева, приводящее к появлению радикалов в объеме. Показано, что гибель радикалов в объеме по бимолекулярному механизму протекает аномально быстро в аморфной фазе, что указывает на наличие организованных нанореакторов. Обнаружена вариация величины клеточного и магнитного эффектов в широких пределах при изменении состава смесей полипропилена и каучуков. Полученные результаты привели к развитию новых представлений о наноорганизации и механизме диффузии низкомолекулярных веществ в клетке и объеме полимеров. Получена обширная кинетическая информация о триплетных состояниях, радикалах, изомерах и таутомерах фотоактивных молекул в структурированных полимерах на основе силиконов, акрилатов и полиолефинов, в том числе, содержащих наночастицы. Установленны свойства полимерных покрытий, которые позволяют выработать рекомендации по их целенаправленному изменению.
Кроме того, различными методами импульсного фотолиза (микросекундный, наносекундный и фемтосекундный) изучен фотохромизм и множественная люминесценция новых би- и трифункциональных супрамолекул на основе спиросоединений, арилэтенов, каротиноидов, порфиринов, имидазолов и салицилидениминов как в растворах, так и в полимерных пленках, а также на поверхности квантовых точек. В сотрудничестве с другими лабораториями Института выявлены новые подходы к дизайну супрамолекул с фотохромизмом и люминесценцией, управляемой длиной волны возбуждающего света. Обнаружена и подробно изучена новая простая система – стабильный комплекс окрашенной мероцианиновой формы незамещенного индолинового спиропирана с Al(3+) состава 2 к 1, обладающая ярко выраженным обратным (отрицательным) фотохромизмом.
Заслуживает упоминания также ряд новых результатов для биосистем, полученных с помощью исследований, проводимых группой П.П. Левина. Разработан новый метод оценки концентрации свободного ретиналя в нативной фоторецепторной клетке, а также его подвижности и мест локализации, что важно для понимания возможных механизмов фотоповреждения зрения. Кинетика гибели триплетных состояний и радикалов флавинов, введенных в фоторецепторную клетку, дала важную информацию о микровязкости на поверхности мембран и их структуре. Установлено, что нанореакторы, ответственные за возникновение магнитных эффектов в кинетике рекомбинации радикалов, присутствуют в системе только при наличии детергентов. При участии группы П.П. Левина изучены промежуточные продукты фотолиза нестероидных противовоспалительных препаратов (набуметон, напроксен, кетопрофен, диклофенак) в воде и образцах мицелл, циклодекстринов, белков и липосом. Показано, что в растворах альбумина фотохимическая активность препаратов существенно ниже и однообразнее, чем в других средах, что должно способствовать понижению их фототоксичности. Получены спектральные и кинетические характеристики флуоресценции суспензии печеночных митохондрий. Цель такой работы заключалась в установлении механизмов фотостимулирующего действия на митохондриальную активность. Показано, что наиболее вероятными мишенями облучения, стимулирующего активность цитохром с оксидазы в дыхательной цепи митохондрий, являются флавинадениндинуклеотиды, а также протопорфирины. Предложена возможная схема стимулирующего действия света на митохондриальную активность. Обнаружена замедленная флуоресценция протопорфиринов в митохондриях, наблюдаемая только в присутствии молекулярного кислорода и возникающая по механизму обратной связи по синглетному кислороду. Кинетическое поведение этой флуоресценции способно дать уникальную информацию о содержании и подвижности молекулярного кислорода в местах локализации протопорфирина в митохондриях.
Тематика работ группы изучения механизмов регуляции биоэнергетических процессов продолжает тематику лаборатории физической химии биополимеров в ИХФ АН СССР, созданной в 1959 году Л.А. Блюменфельдом (1921-2002)), основателем кафедры биофизики физического факультета МГУ. Под руководством Л.А. Блюменфельда получены важнейшие научные результаты, среди которых следует отметить открытие ферро- и антиферромагнитных свойств металл-содержащих биополимеров, впоследствии широко изучавшихся в мире (проблематика т.н. спиновых стекол), предсказание двойного электрон-электронного резонанса, разработку концепции (совместно с В.В. Воеводским) слабых взаимодействий в химии, открытие роли оксида азота и его комплексов с биохимическими компонентами клетки, разработку представлений о роли неравновесных состояний биологических структур в процессах ферментативного катализа и фотосинтезе.
В 1996 году Л.А. Блюменфельд с частью лаборатории перешел во вновь созданный Институт биохимической физики РАН, где организовал лабораторию регуляции биоэнергетических и иммунных процессов, которой он руководил до конца своей жизни. С 2002 года лабораторией руководил д.ф.-м.н. А.Н. Тихонов, профессор физического факультета МГУ и ученик Л.А. Блюменфельда. В лаборатории, в состав которой входили ученики и соратники Л.А. Блюменфельда – Л.М. Байдер, З.В. Куроптева, В.В. Птушенко и О.П. Самойлова, были продолжены исследования в следующих направлениях: перенос электронов в макромолекулярных биологических системах, энергетика ферментативных и электрон-транспортных реакций, кинетика светозависимого возникновения и исчезновения свободнорадикальных центров в фотосинтетических комплексах.
Разработанные в группе изучения механизмов регуляции биоэнергетических процессов (рук. - д.ф.-м.н., проф. А.Н. Тихонов). биофизические подходы позволили подойти к решению фундаментального биологического вопроса о механизмах защиты фотосинтетического аппарата растений от избыточного освещения и их роли в адаптации растения к различным экологическим условиям. Большой вклад в развитие этих исследований внесла соратница Л.А. Блюменфельда Ольга Петровна Самойлова. В 2017 году после структурной реорганизации Института лаборатория регуляции биоэнергетических и иммунных процессов в полном составе вошла в дружественную лабораторию фото- и хемилюминесцентных процессов ИБХФ РАН. Такое объединение позволило теснее скоординировать совместные усилия двух коллективов в области изучения фотобиологических и биоэнергетических процессов.
Наряду с фундаментальными исследованиями группы проф. А.Н. Тихонова, важным достижением лаборатории можно считать появление наукометрических, историко-библиографических и научно-популярных статей, отражающих становление и развитие магнитно-радиоспектроскопических исследований в ИХФ РАН, ИБХФ РАН и в России, в целом. Благодаря энтузиазму и энергии к.ф.-м.н. В.В. Птушенко, был проведен научный анализ сведений, воспоминаний и документов о создателях метода электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) и ядерного магнитного резонанса (ЯМР) - академиках Е.К. Завойском, П.Л. Капице, В.Л. Гинзбурге, Н.Н. Семенове, основателе научной школы химической магнитной спектроскопии академике В.В. Воеводского и основателе крупнейшей биофизической школы в стране Л.А. Блюменфельда.
Объединение лаборатории окисления органических веществ с лабораторией фото- и хемилюминесцентных процессов в 2017 году при реорганизации структуры ИБХФ РАН было естественным шагом, поскольку бóльшая часть хемилюминесцентных реакций, представляет собой именно окислительные взаимодействия и реакции пероксидных соединений. Лаборатория окисления органических веществ имеет яркую и славную научную историю, неразрывно связанную со становлением и работой отдела кинетики химических и биологических процессов ИХФ РАН, послужившего основой создания ИБХФ РАН. В разное время лабораторией руководили академик Н.М. Эмануэль, д.х.н. И.П. Скибида, к.х.н. А.М. Сахаров, д.х.н. Л.И. Матиенко.
В группе исследования кинетики и механизмов окислительных взаимодействий в настоящее время работают Л.И. Матиенко, О.Н. Эмануэль, Л.И. Мазалецкая и Н.М. Евтеева. Сотрудниками данной группы лаборатории исследуются кинетика и механизм реакций окисления, реакционная способность органических соединений в процессах катализа и ингибирования окислительных взаимодействий. Эти исследования представляют большой интерес для создания новых высокоэффективных ресурсо- и энергосберегающих технологий, а также для медико-биологических приложений (в частности, при изучении метаболизма жирных кислот в живых организмах). В недавних работах группы подробно исследовано ингибирующее действие бис-фенолов, содержащих метильные и изоборильные заместители в орто-положении и структурообразующие сульфидные мостики в пара-положении. Наличие атомов сульфидной серы позволяет предположить перспективность использования таких ингибиторов в процессах автоокисления, в которых эффект торможения может обеспечиваться не только за счет активного взаимодействия со свободными радикалами, нои за счет снижения скорости вырожденного разветвления цепей.
В последнее время в группе выработан и опробован оригинальный подход с использованием метода атомно-силовой микроскопии (АСМ) для оценки роли межмолекулярных водородных связей и супрамолекулярных структур в механизмах гомогенного и ферментативного катализа. Разработанный подход позволил подтвердить выводы о возможной самоорганизации катализаторов в супрамолекулярные структуры за счет межмолекулярных водородных связей (и других нековалентных взаимодействий) в процессах селективного окисления алкиларенов молекулярным кислородом как одной из причин стабильности и высокой эффективности катализаторов. Установленное с использованием АСМ образование супрамолекулярных структур на основе гетеролигандных комплексов никеля и железа за счет межмолекулярных связей свидетельствует о высокой вероятности формирования подобных структур в реальных условиях каталитического окисления. Эти исследования тесно связаны с проблемами изучения возможной роли водородных связей при образовании наноструктур металлоорганических комплексов, моделирующих активные центры ферментов. Кроме того, с применением АСМ разработаны методические подходы для фиксации на поверхности за счет H-связей и количественной оценки размерных параметров растительных митохондрий, а также эритроцитов.
Сотрудники лаборатории фото- и хемилюминесценции активно участвуют с устными и стендовыми докладами на международных конференциях (Германия, США, Пуэрто-Рико, Венгрия, Польша) и всероссийских конференциях, выступают на конкурсах научных работ им. Елены Борисовны Бурлаковой, на Эмануэлевских и Семеновских чтениях. Важным достижением является защита диссертации на соискание степени кандидата химических наук молодой сотрудницы лаборатории Ольги Игоревны Яблонской в 2013 году.
