Квантовое открытие раскрыло, как ферменты контролируют свободные радикалы

Доктор Джино ДиЛабио и аспирант Хоссейн Халилиан обсуждают своё исследование о том, как квантовые кулоновские взаимодействия могут управлять и предотвращать повреждение клеток свободными радикалами. Иллюстрация к этой работе попала на обложку «Journal of the American Chemical Society». Автор: Университет Британской Колумбии

Новое исследование команды химиков из Университета Британской Колумбии (кампус Оканаган) заставляет пересмотреть принципы работы ферментов. Учёные обнаружили, как квантовый феномен помогает важному ферменту контролировать жизненно необходимые, но опасные молекулы.

Ферменты, также известные как биокатализаторы, — это крошечные «машины», стоящие за всеми процессами в живых организмах, объясняет соавтор исследования Хоссейн Халилиан, аспирант кафедры химии. Они создают молекулы, важные для жизни, и одновременно разрушают вредные или ненужные соединения.

Особый класс ферментов — радикальные ферменты — генерирует крайне нестабильные молекулы, называемые свободными радикалами, для запуска биохимических реакций. Как отмечает Халилиан, свободные радикалы часто воспринимаются негативно, поскольку их неконтролируемая активность способствует развитию рака, аутоиммунных и нейродегенеративных заболеваний. Однако эти молекулы критически важны для многих биологических функций, и организм производит их как часть нормальной клеточной активности.

Исследование, опубликованное на обложке Journal of the American Chemical Society, показывает, что природа разработала хитрый механизм контроля свободных радикалов — используя малоизученные квантовые кулоновские взаимодействия для их управления и предотвращения повреждений.

Учёные сосредоточились на ферменте виперин, который участвует в иммунном ответе, производя и контролируя высокореактивные радикалы. Халилиан сравнивает их с «химическими дикими пушками».

«Хотя радикалы могут быть полезны, они также способны нанести серьёзный ущерб, если их не контролировать», — говорит он. «Мы давно знали, что виперин использует радикалы для своей работы. Но не ожидали, что квантовые эффекты играют столь важную роль в их сдерживании».

Халилиан, изучающий ферменты с помощью компьютерного моделирования, объясняет, что виперин — это антивирусный фермент, активируемый иммунной системой при вирусных инфекциях. Во время симуляций он обнаружил, что фермент использует ряд стратегий, включая ранее неизвестные квантовые кулоновские взаимодействия, для контроля радикалов.

Автор: Journal of the American Chemical Society (2025). DOI: 10.1021/jacs.5c00572

Кулоновское взаимодействие — это электростатическая сила между положительными и отрицательными зарядами, подобная той, что создаёт статическое электричество. Согласно симуляциям, квантовая версия этих взаимодействий является ключевым инструментом, который природа использует в радикальных ферментах для управления свободными радикалами.

«Это было неожиданно, — признаётся Халилиан. — Радикал удерживался на месте кулоновскими взаимодействиями, словно магнитным притяжением. Эти силы стабилизируют его ровно настолько, чтобы фермент выполнил свою работу».

Обычно радикалы быстро перемещаются или вступают в реакции, но в данном случае что-то удерживало их на месте.

«Эти взаимодействия трудно заметить, но они оказались критически важными. Без них радикал был бы слишком нестабильным. Это открытие даёт нам новый взгляд на биохимические реакции», — добавляет исследователь.

Исследование подтверждает, что квантовый кулоновский эффект, вероятно, является универсальным, но недооценённым свойством радикальных ферментов. Открытие может привести к новым методам разработки лекарств, ферментов и катализаторов.

Руководитель исследования доктор Джино ДиЛабио сообщает, что команда продолжает изучать, распространяется ли этот эффект на другие радикальные ферменты. Если гипотеза подтвердится, это изменит традиционное понимание катализа и ускорит развитие биотехнологий.

«Многие современные лекарства основаны на реакциях с участием радикалов, — отмечает ДиЛабио. — Если мы поймём, как природа их контролирует, мы сможем делать то же самое — возможно, безопаснее и эффективнее».

Подробнее: M. Hossein Khalilian et al, Quantum Coulombic Interactions Mediate Free Radical Control in Radical SAM Viperin/RSAD2, Journal of the American Chemical Society (2025). DOI: 10.1021/jacs.5c00572

Источник: University of British Columbia