Просто о сложном: что такое масс-спектрометрия и как она помогает в охране окружающей среды
Сотрудники лаборатории физико-химических методов анализа строения вещества химического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова - об охране природы, масс-спектрометрии и поддельном алкоголе
Шерлок Холмс постоянно выяснял состав какого-нибудь пятна, найденного на месте преступления, оставленного на одежде, состав краски, веществ в крови, примеси в напитках. Как? И как сейчас мы узнаем о наличии интересующих нас субстанций?
На помощь приходит метод масс-спектрометрии. Если мы прибегнем к примитивному языку, то определим, что термин масс-спектрометрия имеет следующее значение: "взвешивание" молекул, находящихся в пробе. Это один из самых мощных способов качественной идентификации веществ, допускающий также и количественное определение.

Дмитрий Мазур: «Наша сила в знаниях. Чем больше мы знаем про то, что происходит, тем лучше мы сможем понять, что с этим делать»

Старший научный сотрудник химического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова, лауреат премии Научного совета РАН по аналитической химии, кандидат химических наук Дмитрий Мазур в интервью порталу «Лаборатория научной журналистики» рассказал о современных методах масс-спектрометрии для решения различных задач в области идентификации и установления строения органических веществ.

Как Вы пришли в науку?

Студентами у нас все проходят через это. Программа построена таким образом, что каждый студент приобщается к научной деятельности. Вопрос только в том, насколько студенту станет интересно остаться. У нас много кафедр, много направлений. Кому-то не нравится заниматься теоретическими делами, кому-то наоборот. Мы так или иначе все приобщаемся к науке в студенчестве. Просто кто-то задерживается, а кто-то нет. Я на втором курсе пришел сюда, в эту комнату, к Альберту Тарасовичу Лебедеву, с идеей о том, чтобы заниматься экологическими делами. Этот интерес у меня еще со школы. У нас было что-то типа экологического клуба, наша учительница по географии его вела. Мы занимались разными активностями, акциями, газеты рисовали, конференции устраивали, лес убирали… И я решил развиваться в этой тематике здесь. Когда пришел, я не знал, что такое масс-спектрометрия, кстати.
Дмитрий, расскажите о Вашей научной деятельности

Есть такой метод анализа органических веществ - масс-спектрометрия. Он имеет множество применений в науке, промышленности, производстве. Метод сейчас достаточно распространен и активно используется для многих целей, особенно для поиска и обнаружения органических веществ. Чтобы было проще понимать: все фармацевтические исследования держатся на масс-спектрометрии. Когда готовится к выпуску новый препарат, исследования проводятся с использованием в том числе масс-спектрометрии. Весь допинговый анализ полностью построен на масс-спектрометрии. То есть всё, что касается выявлений каких-то искусственных добавок делается при помощи данного метода. Анализ пищевых продуктов на наличие пестицидов или антибиотиков тоже проводится посредством этого метода. Метод очень широкий и применений ему очень много. Чем мы занимаемся? Лаборатория под руководством Альберт Тарасовича Лебедева, в который мы сейчас находимся, занимается тремя-четырьмя направлениям, связанными с применением метода масс-спектрометрии.

Первое наше направление – это экологические исследования. То, с чего я когда-то и начинал свою научную карьеру. Это анализ объектов окружающей среды - воздуха, воды, снега. Мы занимаемся так называемым нецелевым анализом. У вас есть, допустим, литр воды. Вы не знаете, что в ней; есть какие-то небольшие подозрения, но нам нужно проанализировать и сказать, что в ней хотя бы примерно есть. Ничего, кроме масс-спектрометрии в сочетании с хромотографическими методами, эту задачу не решит. Мы можем сказать с точки зрения органического состава что в этой воде присутствует, и дальше делать какие-то предварительные выводы. Часто мы находим много веществ, которые сложно как-то категоризировать и привести к каким-то классам, применить к ним критерии «хорошо» или «плохо». И тут, конечно, нужно подключать токсикологов. То, что связано с экологией, - это нецелевой анализ, поиск веществ антропогенного происхождения, которые могут влиять не очень хорошо на здоровье организмов. 

Второе наше направление связано с исследованием продуктов трансформации при хлорировании воды. Мы все знаем, что воду хлорируют; на сегодняшний день это самый распространенный метод обработки воды для того, чтобы сделать ее питьевой. Для чего это нужно? В первую очередь для того, чтобы устранить бактериальное загрязнение. Для этого используют хлорирование; это не единственный метод, но самый рабочий. В чем проблема этого метода? В воде изначально присутствует достаточно много органических веществ. Эти вещества вместе с водой попадают на станцию водоочистки, где происходит их взаимодействие с хлором. Таким образом появляются какие-то новые хлорированные или бромированные вещества, которые потенциально могут нести большую угрозу, чем исходные вещества. Эти вещества могут под действием хлорирующих реагентов превратиться во что-то другое. И вот это «что-то другое» может быть гораздо токсичнее. Поэтому мы на различных примерах исследуем, к чему это приводит.

Третье наше направление – это изучение пептидов. Белки - это основа нашей жизни; маленькие (короткие) белки называются пептидами. Мы сфокусировались на пептидах земноводных - лягушек. У лягушек нет иммунной системы, нет явных средств защиты - клыков, когтей и т.д. Вся их защита от внешнего мира - это та слизь, которую они вырабатывают, когда мы их хватаем. Вот этот секрет защищает их и от хищников, и от бактерий. Состав этого секрета в основном - пептиды, которые выделяются за несколько секунд. Эти пептиды обладают безумной активностью. Одновременно с этим у земноводных - у лягушек - есть механизм их подавления. И наша задача состоит в том, чтобы изучить наиболее полно состав этих секретов. Понятное дело, что просто так лягушки их не выделяют. Их стимулируют, дальше секрет собирают, и мы занимаемся изучение состава. Всё это можно объединить в протеомику, область науки, изучающая белки. Цель состоит в том, чтобы не просто изучить, а найти какие-то интересные пептиды с интересной активностью, как какие-то потенциальные препараты против микробов или против рака. Активность может быть какая угодно, и масс-спектрометрия на сегодняшний день является самым эффективным способом. 


А как анализ пептидов применяется в разработке лекарств?


Мы сначала собираем секрет. Дальше выделяем из него пептиды. Устанавливаем их состав, то есть смотрим, какие аминокислоты туда входят. И далее стоит задача в том, чтобы эти пептиды наработать и отдать коллегам, которые смогут смотреть их активность. Это можно делать и экспериментальным способом: вы чуть-чуть наработали пептида и пробуете его, смотрите, где он себя проявит. Но целиком эта задача не решается исключительно за силами химиков. Тут нужны какие-то коллаборации.

Как метод масс-спектрометрии применяется в анализе окружающей среды?

Масс-спектрометрия в этой области используется давно. Например, мы собирали снег в Москве, в Арктике, на земле Франца Иосифа. Идея состоит в том, что снег хорошо поглощает из воздуха различные вещества; при чем это могут быть достаточно стойкие вещества, которые могут прилететь издалека, так и вещества локального происхождения - у нас много транспорта, это вносит свою роль в загрязнение воздуха. Это всё на снеге оседает, мы этот снег собираем и разделяем его по компонентам, смотрим, какие молекулы там присутствуют. Иногда доводим до количественного анализа. Как итог, эти показатели мы потом сравниваем с нормативами.

Если состав снега не соответствует нормативам, Вы пишете какие-то рекомендации?

В России есть органы, которые занимаются регулярным мониторингом окружающей среды. Проблема в том, что список веществ, которые контролируются там, достаточно узкий. И что самое важное - он никак не модифицируется под географические области. Должно быть так: каждая область или субъект должны иметь понятие о том, чем может быть загрязнена эта область. Далее это выделяется в так называемый приоритетный список, который на регулярной основе контролируется. У нас этот приоритетный список один на всю страну, и органических веществ там не больше полутора десятка. За пределы этого списка они не выходят. Это делаем мы. Поскольку мы не являемся регулирующим органом, мы не можем наши результаты показывать кому-то с претензией. Максимум, что мы можем - публиковать наши результаты в доступных источниках, причем это и научные, и научно-популярные публикации. Иногда на них обращают внимание. В научно-популярных журналах аудитория немного другая, по этой причине можно иногда привлечь внимание на проблему кого-то еще. Кроме того, работа пресс-службы также расширяет охват: когда результаты выходят в специализированном журнале, они почти всегда делают какое-то краткое сообщение на сайте, дальше пускают его в СМИ, и таким образом мы можем прилечь внимание большего количества людей.

-Исследования Вашей лаборатории, наверно, очень востребованы сегодня?

Тема экологии больная. Ее не очень хотят замечать, когда всё плохо, она не считается очень популярной. Когда случаются какие-то катастрофы, то люди готовы работать. А в мирное время… Вроде нас могут привлечь что-то проверить, посмотреть, но здесь не всегда можно выйти сухими из воды. Ты делаешь свою работу честно, а результат, который ты выдаешь, не всегда всем нравится. Поэтому иногда мы отказываемся.

Тема экологии больная. Ее не очень хотят замечать, когда всё плохо

У нас недавно был совместный договор на исследование, правда совсем в другой области, с организацией по контролю производства и сбыта алкогольной продукции. Они обращались к нам как к специалистам за помощью, потому что у нас богатый опыт анализа органических веществ в области окружающей среды. Задача была поставлена следующая: нам надо было разработать систему, которая впоследствии могла бы быть использована для выявления контрафактов. Проблема контрафактного алкоголя становится всё острее и острее, потому что подделывают его сейчас на очень высоком уровне. Стандартом анализа алкогольных напитков во всем мире является изотопный анализ. У одного и того же элемента бывают разные массовые числа; такие элементы называются изотопами. Распределение этих изотопов зависит от географической области. Скажем, виноград, который произрастал на Кубани будет отличаться от крымского. И вино, соответственно, будет отличаться, и коньяк. Зная, что определенное соотношение изотопов должно соответствовать спирту, произведенному из винограда, а другое - из сахарной свеклы, люди легко могли определить подделку и оригинал. Но научились подделывать уже даже на этом уровне – добавляют нужное количество изотопов для того, чтобы получилось правильно соотношение. Поэтому возник вопрос поиска новых подходов в определении контрафактного алкоголя. Мы смогли научиться определять вино по годам и даже по сортам.

Давайте вернемся к воде и проблеме хлорирования. Можете поделиться примерами ваших исследований в этой области?

Совместно с коллегами из Франции мы смотрели состав облаков. В центральной Франции есть лаборатория, которая находится на горе, и есть возможность собирать облачный конденсат. Мы брали у них эту воду и смотрели, что там находится. К удивлению, там далеко не дистиллированная вода. Там вода достаточно грязная, хотя, казалось бы, откуда там возьмется грязь. Нет, возьмется. Причем она может быть и локального, и иного происхождения. Потому что вещества делятся на устойчивые органические загрязнители и на вещества локального происхождения.

Также мы проводили исследования, связанные с солнечными протекторами. У нас они не столь распространены, но на Западе люди постоянно мажутся солнцезащитным кремом и купаются в бассейне. Проблема заключается в том, что в бассейнах концентрация хлора остается большой, он не выветривается. Поэтому всё, что остается на поверхности тела в воде будет превращаться во что-то. Мы исследовали солнечный проектор, который входит в состав многих солнцезащитных кремов. И выяснили, что при хлорировании этого вещества образуются достаточно опасные соединения, которые иногда вызывают эффект слезоточивого газа. Представьте, 50 человек намажутся кремом и уйдут купаться в бассейн. Надо аккуратнее к этому относиться, потому что солнце и ультрафиолетовое излучение ускоряют все процессы. А если бассейн наполнен морской водой, то в ней появляются другие соли, источники брома, и токсичность соединений вырастает в несколько раз при бромировании. А люди ведь иногда наполняют бассейны морской водой.

Насколько это опасно для человека?


Он может отравиться. Вряд ли будет какой-то совсем печальный исход, но надышаться чем-нибудь и заболеть можно. Мы продолжаем эту работу. Сейчас мы переключились на фармацевтические препараты в коллаборации с нашими коллегами из Архангельска. Выясняется, что в природной воде встречаются ощутимые концентрации популярных сейчас иммуномодуляторов или препаратов, использующихся при лечении и профилактике ОРВИ, в частности арбидол. То есть его насколько много начали потреблять, что его в природной воде становится заметное количество. Дальше это идет на хлорирование, и кто знает, во что это превращается.

Хлорированная вода потом становится питьевой?


Да. Идея в том, что природная вода собирается, проходит этапы очистки и подается в систему. Хлорирование - это один из последних этапов очистки.

Почему, если вода проходит одинаковые этапы очистки, на выходе - уже питьевой - она получается разного качества?

Это связано в основном с технологическими аспектами. Даже то же самое хлорирование можно проводить разными способами. Некоторые используют жидкий хлор, некоторые - оксид хлора. Те этапы, которые идут до хлорирования, могут отличаться. Иногда идет комбинация хлорирования и озонирования. Помимо этого, изначально вода, которая собирается, разная. Она может быть изначально относительно чистой, а может быть не очень чистой. Кроме того, не забывайте о том, что в основном при очистке стараются убрать бактерии, но с неорганическим составом никак не справляются. Жесткость, например, никуда не уходит. Поэтому и получается, что где-то можно пить из крана, а где-то нужно ее профильтровать, прокипятить.

Вы были соавтором доклада о влиянии загрязнения на серых китов. Расскажите об этом Вашем интересном исследовании.


Это было еще в моем студенчестве, я с этого начинал работать в лаборатории. Чукотка; отлов китов там до сих пор разрешен, но только традиционным способом. Разрешено охотиться народам Чукотки и Аляски, потому что это часть их культуры и значительная часть их рациона. Проблема, которая возникла, была следующая: при отлове китов и разделке уже на суше стали появляться случаи, когда их мясо отдавало резким химическим запахом. Люди, близкие к этой проблеме, просили помочь и узнать причину. Мы занимались анализом китового мяса и жира на предмет выделения каких-то летучих соединений, которые могли этот запах создавать. Достаточно много всего было обнаружено. Мы обозначили перечень веществ, которые смогли обнаружить, а дальше предсказали что и откуда могло прийти. А дальше дело органов уже следить за этим.

В рамках Года науки и технологий, которым объявлен 2021 год, этот месяц посвящен безопасности и новым вызовам. Скажите, как Ваши исследования скажутся на нашей безопасности?

Я склонен считать, что наша сила в знаниях. Чем больше мы знаем про то, что происходит, тем лучше мы сможем понять, что с этим делать

Что такое масс-спектрометрия? Самым примитивным языком - "взвешивание" молекулы. Обычные весы тут не помогут. Надо понимать, что, взвешивая груши в магазине на весах, мы на самом деле измеряем силу, действующую на измерительный прибор - весы. А потом происходит пересчет в привычные и понятные нам единицы - килограммы, граммы и т.д. Молекулы же взвешивают по-другому. И в этом нам помогает метод масс-спектрометрии.

Состав крови, сданной нами на химический анализ, определяется именно посредством масс-спектрометрии. О том, как работает метод, рассказал Дмитрий Мазур, старший научный сотрудник химического факультета МГУ имени М.В.Ломоносова.
BOYZ
She has been nominated for an Academy Award, two Grammy Awards, and the Mercury Prize
Аспиранты химического факультета МГУ имени М.В.Ломоносова Елена Детенчук и Анна Соснова рассказали о сфере своих научных исследований и поделились своими профессиональными планами.
Текст
Елизавета Вартанян

Редактор
Алина Белините
Елизавета Стрига

Оператор
Антон Чуванов

Фотограф
Кристина Корчанова

Монтаж
Елизавета Вартанян

Made on
Tilda