Уладим с помощью зонта

В Монреальском университете Кристин Чхан и ее коллеги синтезировали ротаксаны, способные транспортировать полярные молекулы через липидный бислой клеточной мембраны. Бислой защищает клетку от нежелательных полярных «гостей», но и служит препятствием для лекарственных препаратов, которые нацелены на конкретные мишени внутри клетки. Чтобы понять, по какому механизму работают новые ротаксаны-переносчики, надо представить себе самый обыкновенный зонт.

Ротаксаны — это комплексы, состоящие из молекулярных циклов, которые нанизаны на линейные молекулы (как колечки на палочку). Чтобы циклические фрагменты не соскакивали, к концам «палочки» пришивают объемные молекулы — блокаторы. Ротаксаны очень интересны как супрамолекулярные устройства: переключатели, переносчики электронов и энергии. Однако в этот раз им нашли новое применение.

Многие биологически активные вещества — это полярные молекулы, растворимые в воде и других полярных растворителях, например спиртах. Напомним, что мембрана клетки состоит из двойного слоя липидов, которые с одной стороны гидрофильны (остатки фосфорной кислоты), с другой — гидрофобны (хвосты жирных кислот). В мембране гидрофобные участки обращены внутрь, а гидрофильные — наружу, поэтому проникнуть через такой двойной слой заряженным соединениям трудно, особенно если нет естественного переносчика, какой есть, к примеру, у холина.

Чхан и коллеги сделали такой переносчик из ротаксана, снабдив линейную молекулу с одного конца двумя остатками гидрофобной холевой кислоты. Это структурное изменение придает молекуле крайне интересный эффект: она начинает работать по принципу зонта. В гидрофобной органической среде (как раз такая внутри мембраны) — холевые фрагменты как куполом закрывают циклическую часть ротаксана (колечки, насаженные на палочку), экранируя его от нежелательных взаимодействий. В таком виде «зонт» может проткнуть мембрану. В гидрофильной среде купол разворачивается в обратную сторону, как обычный макроскопический зонт при сильном порыве ветра. Таким способом циклическая часть — ценный и хрупкий груз — пройдет мембрану без опасения быть задержанной на границе. На линейную молекулу можно насаживать любые макроциклы – например такие антибиотики, как валиномицин и нонактин, и они окажутся внутри клетки.

Как можно понять, открыт или закрыт купол? Канадские химики синтезировали аналог ротаксана, в цикле которого была флуоресцирующая метка (дензильный заместитель). Она оказалась хорошим маркером для определения текущей конформации купола. По мере увеличения полярности среды (для этого добавляли метиловый спирт и воду) увеличивалась флуоресценция, поскольку купол открывался и метка на цикле становилась «видимой».

Испытания по транспортировке провели на липосомах (шариках, состоящих только из липидного бислоя), которые часто используют как модель мембраны. Опыты показали, что такие ротаксаны провозят внутрь липосомы до 45% циклических молекул, если те входят в состав ротаксана. Если провести эксперимент просто с незащищенными циклами, то они тоже проникают через липидный бислой, но их оказывается не больше 10%.

Молекула — переносчик лекарства в гидрофильной среде похожа на зонт, вывернутый порывом ветра, а в гидрофобной просто на раскрытый зонт, который прикрывает молекулу и помогает ей пересечь мембрану