StolicaMedia, 10 ноября. Молекулы многих лекарств могут переходить из одной пространственной формы в другую. Ученые НИУ ВШЭ и Института химии растворов РАН с помощью математической модели ибупрофена в сверхкритическом CO₂ показали, что растворитель может вызывать необычно медленный отклик таких молекул. Сами молекулы при этом продолжают быстро менять форму, но их окружение перестраивается медленно, и это отражается на результатах измерений. Исследование опубликовано в The Journal of Chemical Physics (18+).
При производстве лекарств важно не только синтезировать действующее вещество, но и получить из него кристаллы с подходящей структурой. Один из способов — растворить вещество в сверхкритическом углекислом газе. Так называют CO₂, который нагрели и сжали выше критических значений температуры и давления. Затем давление снижают, и вещество выпадает в виде мелких твердых частиц. Однако еще до того, как они образуются, растворитель может влиять на форму молекул.
Некоторые молекулы гибкие и могут принимать разные пространственные формы — конформации, соотношение которых зависит от нескольких факторов, в том числе от плотности растворителя. Вблизи критической точки — состояния, при котором исчезает различие между жидкостью и газом, — плотность растворителя сильно колеблется. В нем возникают области повышенной и пониженной плотности, размеры которых увеличиваются по мере приближения к критической точке. Одновременно такие колебания становятся все более медленными. Это явление физики называют критическим замедлением.
Ученые НИУ ВШЭ и Института химии растворов РАН разработали статистико-механическую модель, которая объясняет, почему молекулярная система может долго сохранять следы первоначального возмущения, хотя отдельные молекулы продолжают быстро менять форму. Модель учитывает три взаимосвязанных процесса: смену формы молекул, колебания плотности среды и диффузию (перераспределение компонентов раствора в пространстве). Авторы рассчитали, как эти процессы влияют друг на друга и с какой скоростью протекают.
Оказалось, что вблизи критической точки в растворе возникают сразу два медленных коллективных процесса. Первый связан с критическим замедлением колебаний плотности растворителя. Второй — с диффузией: чем больше размер колебаний, тем больше времени требуется для перераспределения вещества на таком расстоянии. При этом третий процесс — переходы отдельных молекул между конформациями — может оставаться быстрым. Однако благодаря взаимодействию молекул с растворителем оба медленных процесса начинают влиять и на сигнал, по которому отслеживают изменения формы молекул. Этот эффект авторы назвали двойным коллективным замедлением.
Авторы продемонстрировали, как работает модель на примере ибупрофена в сверхкритическом CO₂. Согласно расчетам, даже небольшая разница во взаимодействии растворителя с разными формами молекулы может сделать медленные коллективные процессы заметными в измерениях. Более того, отклик системы может затухать не по обычному экспоненциальному закону, а значительно медленнее — по степенному. Это означает, что следы первоначального возмущения способны сохраняться гораздо дольше, чем длится отдельный переход молекулы между формами.
"Отдельная молекула может по-прежнему быстро менять форму. Но вероятность нахождения в той или иной форме зависит от окружающего растворителя. Если плотность среды меняется медленно, то и связанные с ней изменения соотношения молекулярных форм могут сохраняться очень долго. Получается, что медленная память растворителя передается молекулам, хотя скорость самих переходов между формами практически не меняется. Физический смысл нашей работы существенно глубже, чем объяснение необычной динамики ибупрофена в сверхкритическом CO₂. Мы показали, как медленная коллективная динамика среды может проявляться в наблюдаемой динамике молекул, собственные внутренние превращения которых остаются быстрыми", — сказал ведущий научный сотрудник Лаборатории вычислительной физики МИЭМ ВШЭ Юрий Будков.
