Наукові обрії Каразінського: проєкт «Функціоналізовані флуоресцентні органогелі для виявлення, накопичення і моніторингу радіонуклідів і металів-екотоксикантів»

Каразінський університет — це осередок численних наукових відкриттів та досліджень, які змінили світ і стали відправною точкою для нових поколінь вчених. З перших днів свого існування університет прагнув до найвищих стандартів освіти та наукових досліджень. Сьогодні Каразінський університет продовжує цю славну традицію, зберігаючи високий рівень науково-дослідної діяльності.

За рішенням наукової ради Національного фонду досліджень України від 2 липня 2024 року проєкт представників науково-дослідного інституту хімії Каразінського університету здобув грантову підтримку в межах конкурсу «Передова наука в Україні».

Каразінський НДІ хімії — це перший науково-дослідний інститут хімії в Україні. У вересні йому виповниться 95 років. До складу інституту входить унікальна лабораторія з радіохімії і радіоекології, якої немає в жодному ЗВО України.

Ми поспілкувалися з Олександром Рошалем — виконувачем обов’язків директора НДІ хімії, керівником проєкту «Функціоналізовані флуоресцентні органогелі для виявлення, накопичення і моніторингу радіонуклідів і металів-екотоксикантів», який виграв грантову підтримку, про унікальність ідеї, організацію роботи та важливість університетської науки.

Розкажіть про ваш проєкт: яка його основна мета та які проблеми він покликаний розв’язати?

Так чи інакше зараз вся наука пов’язана з війною. Існують різні рівні проблем, які стосуються фізики, хімії, тобто природничих наук, є гуманітарні проблеми, психологічні тощо. З нашого боку ми спостерігаємо дуже велику кількість проблем, які потребують розв’язання за допомогою природничих наук, зокрема хімії.

Яка суть нашого проєкту? Нас постійно бомбардують. Усі ці снаряди містять метали — залізо, алюміній, магній. Вони забруднюють ґрунти, змінюють їх хімічний склад, впливають на стан нашого оточення, рослинність і тваринний світ. Фактично відбувається екоцид: вбиваються ті екологічні системи, які існують, і природа буде їх заміщувати чимось новим. Але більшою мірою це проблеми для біологів і екологів. Хіміки ж мають контролювати зміни хімічного складу довкілля, вивчати, як це все очищати, та що з цим робити далі.

Є ще одна неочікувана проблема: усі ці бомби і снаряди містять дуже велику кількість електроніки. А електронні модулі містять всю таблицю Менделєєва. Там є і європій, і гадоліній, і церій — тобто такі елементи, які ми зазвичай використовуємо дуже-дуже рідко. Це так звані мікроелементи, і більшість з них досліджено недостатньо. Як вони будуть впливати на екосистеми, і через це — на нас з Вами, — ніхто не знає.

Також, наприклад, є головки зі збідненим ураном. Що б хто не казав, уран — це елемент радіоактивний, тобто ці головки — радіоактивні. Не дуже сильно. Там радіація така, що від неї можна захиститися навіть листком паперу, але вона є.

Ядра цих атомів урану розкладаються, і з них утворюються стронцій, церій та інші елементи. Деякі з них не радіоактивні, деякі — радіоактивні, їх не багато, але вони накопичуються, і як це впливатиме — невідомо.

Якщо взяти ґрунт і провести звичайний хімічний аналіз, ви не знайдете цих елементів, тому що концентрації їх настільки малі, що чутливість фізико-хімічних методів є недостатньою, щоб їх визначити і виміряти кількість. Тому перед початком аналізу мікроелементи треба накопичувати. Наш проєкт стосується розробки нових методів накопичення мікроелементів з метою подальшого їх аналізу.

Підсумовуючи, можна сказати: є задача глобальна, екологічна — контроль екології, моніторинг екологічного стану щодо мікроелементів. Далі йде хімічна задача — це хімічний аналіз. Треба змінювати методику хімічного аналізу мікроелементів, накопичувати їх.

Які технології та методи використовуються у вашому дослідженні, чим ваш підхід є унікальним?

Для накопичення мікроелементів ми розроблятимемо спеціальні гелі. Що таке гель — це зрозуміло, наприклад, холодець — це гель, але він розчинний у воді. Ми ж беремо гелі, які набрякають, але не розчиняються у воді.

В якості відправної точки ми вибрали два типи вже відомих гелів. Один гель — природний, це альгінові кислоти, із водоростей виділяють. Вони недорогі, їх використовують у парфумерії, мармелади з ними роблять, зефір, пастилу, тобто вони використовуються в харчовій промисловості.

Другий гель — з синтетичного полімеру — поліакрилові кислоти. Всі бачили колись у супермаркетах з косметикою, побутовою хімією такі кульки — гель з ароматизатором. Вони висихають і стискаються до маленьких частинок. Якщо ви наливаєте води, вони знову набрякають. Це поліакрилові кислоти.

Ми візьмемо ці два полімери та причепимо до них спеціальні фрагменти молекул, які ми вже будемо синтезувати. Тут вже починається «глибока» хімія: в цей гель ми хімічно приєднаємо спеціальні нові групи (їх називають ліганди), які будуть зв’язуватися з атомами мікроелементів. Через такий модифікований гель легко проникає вода — річкова або після перемішування з ґрунтом. А гель буде захоплювати атоми певних елементів і вони там будуть накопичуватися. А далі цей органічний гель з накопиченим мікроелементом можна або висушити, або спалити, а золу потім вже використовувати для звичайного хімічного аналізу.

Ми будемо намагатися зробити селективні гелі, тобто на якийсь певний елемент: гель для урану, гель для церію, гель для європію тощо. Абсолютно селективних реагентів не буває, але можна щось суттєве зробити в цьому напрямі.

Унікальність нашої ідеї полягає в тому, що наші приєднані фрагменти, які зв’язуються з атомом металів, ще й можуть світитися. Це не випадково: наша лабораторія в НДІ хімії займається хімією люмінофорів, тобто сполук, які світяться.

Отримані гелі будуть не тільки зв’язувати сполуки, а й змінювати свої властивості: буде або виникати світіння, або, навпаки, зникати, або буде змінюватися колір гелю. Таким чином, ми зможемо спостерігати, як йде накопичення. Наприклад, зможемо наочно оцінити, що зв’язування йде, посвітивши на гель звичайним ультрафіолетовим ліхтариком. Так раніше не робили. Це абсолютно нова ідея.

Наш проєкт спланований цілком реалістично — так, щоб його можливо було реалізувати і отримати позитивний результат. До того, як його створити, цю ідею обговорювали, наш колектив авторів спирався на те, що ми вже робили, на наші доробки, статті. Проєкт отримав дуже високі бали від рецензентів. Тому ми впевнені, що обов’язково отримаємо результат.

Хто саме з наших фахівців буде залучений до реалізації проєкту, як їхній досвід та знання допоможуть у досягненні поставлених цілей?

Над проєктом будуть працювати 6 співробітників науково-дослідного інституту хімії Каразінського університету. За умовами конкурсу до проєкту мають бути залучені аспіранти та кандидати наук.

В НДІ хімії є два великих відділи. Працювати з неорганічною частиною, з ось цими радіоактивними елементами та мікроелементами, будуть співробітники відділу радіохімії і радіоекології. До речі, в жодному ЗВО України більше немає лабораторії з хімії радіоактивних елементів і радіоекології. Ми маємо сховище радіоактивних ізотопів для наукового використання. Наш університет і НДІ хімії в цьому плані унікальні.

Виконувати роботи з синтезу лігандів і модифікації гелів будуть працівники відділу фізико-органічної хімії. Маємо двох спеціалістів-синтетиків — старшого дослідника і аспіранта. Вони будуть синтезувати, «нашивати» на гелі ліганди, які будуть захоплювати мікроелементи або радіоактивні елементи і при цьому змінювати свої спектральні власивості.

Зв’язування цих сполук буде досліджувати ще одна старша наукова співробітниця нашого інституту — фізико-хімік з багаторічним досвідом. Вона буде вивчати, як змінюється світіння, флуоресценція, кількісні характеристики зв’язування тощо. Частину цієї роботи виконуватиму і я — я теж фізико-хімік. Тобто все розписано: хто, чим займається, і в який час.

Зараз я займаюся підготовкою документів, і коли вони будуть підписані, ми почнемо працювати. Вже зараз реактиви шукаємо, де закупити, щось у нас своє є, тобто йде підготовчий процес.

Чи є грантова підтримка Національного фонду досліджень України для подібних проєктів сьогодні важливою та чому?

Наразі наука в Україні розвивається переважно завдяки грантовій підтримці. Працевлаштування науковців напряму залежить від участі в грантових проєктах, адже базового фінансування для кожного співробітника, звісно, не вистачає. Навіть попри те, що цьогоріч Міністерство освіти і науки України його збільшило, а також виділило кошти на закупівлю обладнання. Ми передусім залежимо від грантів МОН України, на другому місці — НФДУ.

Якщо йдеться про науку загалом, то найголовнішою її частиною є саме наука університетська. В закладах вищої освіти, де є наукова частина, є можливість не просто вчитися, а навчатися проведенню досліджень, генеруванню ідей, роботі в науковій команді, отримувати кваліфіковану допомогу від колег. А потім науковці можуть йти у «великий світ» науки — в науково-дослідні інститути, галузеві прикладні інститути і фірми, в установи Академії наук. Вчених генерує саме університетська наука, і нерозуміння цього може згодом призвести до катастрофічних наслідків.

Цьогоріч в університеті ми єдині виграли в конкурсі проєктів НФДУ. Загальний обсяг фінансування проєкту становить 7 мільйонів 205 тисяч гривень. Також зараз працівники НДІ хімії отримали міжнародний грант від Фонду Саймонса. Кожен співробітник інституту подавався окремо на конкурсній основі, і всі успішно пройшли конкурс та отримують зараз стипендії. Все це свідчить про високий рівень підготовки наших спеціалістів, про те, що у нас працюють дуже гарні фахівці світового рівня, і їх не можна втрачати. Це наша університетська наука — наша гордість.

Переважна більшість статей, опублікованих працівниками НДІ хімії, індексуються в Scopus, наші роботи публікуються в американських і європейських виданнях.

Як результати цього дослідження можна застосувати на практиці?

Ми займаємося фундаментальною наукою — вона видає певний теоретичний продукт, який далі може бути використаний для практичних цілей. Далі мають бути інші проєкти, прикладні, вони потребують ще більших коштів і зусиль. Але саме вони реалізовують отримане на фундаментальному рівні і доводять наукові результати до суспільного використання, дозволяють отримувати прибутки, і таким способом змінюють наш світ на краще. Якщо не буде фундаментальної науки, не буде прикладної, тобто змінювати світ буде нічим.

Які сполуки підходять до яких йонів металів, як отримати нові модифіковані гелі, ми все це вивчимо, опублікуємо, дамо рекомендації. Знайдемо щось, що потребує інтелектуального захисту — обов’язково зробимо патенти. На цьому наша робота завершується, і далі треба буде продовжувати дослідження за рахунок грантів на прикладну науку. Я маю надію, що результатами виконання цього проєкту хтось точно зацікавиться, бо йдеться про екологію, про наше існування і про нашу безпеку.

У попередньому нашому проєкті НФДУ «Індикатори на основі похідних хромону для флуоресцентного визначення активності β-глюкозидаз» ми здобули позитивний результат. На основі отриманих нами даних є можливою розробка реагентів для скринінгу навколишнього середовища — оцінки якості ґрунтів, швидкості відновлення ґрунтів, якості річкових вод, для потреб медицини — діагностики ракових клітин. На сайті НФДУ можна ознайомитися з анотованим і науковим звітом.

Наша робота — це довгий процес, але без фундаментальної науки не буде нічого.