Введение к работе
Актуальность работы
В последнее время, в связи со все большими объемами производства и потребления различных фармакологических субстанций и биотехнологической продукции, а также увеличением общего уровня антропогенной нагрузки на окружающую среду – все более актуальной становится проблема быстрого выявления негативных свойств новых, а также генетически или иным способом модифицированных пищевых продуктов, биологически активных веществ, лекарственных и иных препаратов… причем не только при изолированном их действии на живой организм, но и в сочетании с другими продуктами, препаратами и факторами окружающей среды, специфическими для того или иного региона.
Кроме того, нередко важна и сама по себе проблема достаточно быстрой и комплексной оценки степени экологического неблагополучия того или иного региона… причем даже в том случае, когда «стандартными» методами там не фиксируется превышение установленных норм ни по одному из возможных угнетающих факторов – однако в сочетанном виде они способны оказывать значимое повреждающее действие на людей и другие живые организмы.
Решение вышеупомянутых проблем может быть осуществлено разными способами. Но наиболее приемлемым и адекватным представляется использование для этой цели «стандартных» тестовых биосистем (таких например, как крысы) – достаточно адекватно моделирующих человеческий организм, но при том дешевых, доступных и имеющих сравнительно короткий жизненный цикл (что позволяет формировать на их основе статистически значимые выборки… и притом, осуществлять достаточно экспрессное моделирование даже хронического воздействия на живые организмы тех или иных факторов).
Одним же из важнейших параметров, характеризующих состояние организма, являются изменения в структуре его генома (в отношении «степени суперспирализации ДНК», например, наблюдающиеся даже вследствие обычных суточных изменений физиологического и психологического состояния человека) – которые весьма просто и экспрессно могут быть выявлены, в частности, с помощью синтетических низкомолекулярных флуорофоров, чувствительных даже к достаточно небольшим изменениям как в составе, так и в структуре внутриклеточной ДНК.
Кроме того, экспрессный анализ генома живых организмов с помощью специфических флуорофоров может быть весьма важен и для решения целого ряда иных проблем – диагностических, мониторинговых, исследовательских и т.п. А помимо этого, и сами синтетические нуклеотид–специфичные соединения могут быть использованы в качестве лекарственных препаратов, радиопротекторов и т.п.
Но для всех вышеозначенных целей желательно использование соединений, как можно более специфичных и чувствительных в отношении изменения своих флуоресцентных свойств при связывании с ДНК. И осуществлять их подбор при этом хотелось бы не эмпирически… а на основании единой обобщенной модели – позволяющей теоретически предсказывать изменения флуоресцентных и комплексообразующих свойств таких соединений в зависимости от их химической структуры, характера взаимодействия с субстратом, свойств среды измерения и т.д.
Цель и задачи исследования
Основной целью настоящей работы стала разработка научно–методических основ простой и быстрой оценки качества и безопасности использования различных пищевых, лекарственных и иных продуктов и препаратов (как по отдельности, так и в сочетании друг с другом), а также оценки степени общего экологического неблагополучия того или иного региона – при помощи биотестирования, с использованием для характеристики состояния «стандартных» биосистем нескольких синтетических низкомолекулярных ДНК–специфичных флуорофоров со взаимодополняющими свойствами. Для этого были поставлены следующие задачи.
1. Провести оценку и систематизацию на основе универсального структурно–химического подхода свойств возможно большего числа флуорофоров на ДНК – с тем, чтобы исходя из этого, сформулировать основные положения единой обобщенной модели, адекватно объясняющей изменения флуоресцентных свойств подобных соединений в зависимости от их химической структуры, особенностей взаимодействия с субстратом, свойств среды измерения и т.д.; и затем, предложить рекомендации по конструированию новых флуорофоров на ДНК с требуемыми свойствами – поскольку малоперспективно ориентироваться при разработке методов анализа клеточного генома только на уже известные флуорофоры или подбирать новые исключительно эмпирически.
2. С помощью нескольких ДНК–специфичных флуорофоров со взаимодополняющими свойствами разработать метод оценки не только общего содержания нуклеиновых кислот в пробе (как это делалось ранее), но и изменений в структуре генома клетки.
3. С помощью вышеупомянутой схемы анализа генома «стандартных» биосистем разработать метод для быстрого выявления генотоксического воздействия на человеческий и другие живые организмы различных угнетающих факторов окружающей среды, продуктов питания, лекарственных и иных препаратов – в том числе при сочетанном действии на эти организмы других продуктов, препаратов и факторов окружающей среды, специфических для того или иного региона.
4. Разработать другие возможные методы диагностики и мониторинга, основанные на количественном и качественном анализе генетического материала клеток с помощью ДНК–специфичных флуорофоров.
Научная новизна и научно–практическая значимость исследования
1. Получено и систематизировано на основе универсального структурно–химического подхода значительное количество новых данных по свойствам более 30 синтетических ДНК–специфичных флуорофоров: фенилиндольного, фенилбензазольного, бисбензимидазольного, псораленового, ангелицинового, тетрагидрокарбазольного, оксофеноксазольного и др. рядов – что существенно расширяет уже имеющуюся базу данных свойств подобных соединений, а также уточняет представления о закономерностях, связывающих вышеупомянутые свойства флуорофоров с их структурой.
2. Даны рекомендации по конструированию новых эффективных ДНК–специфичных флуорофоров; а также сформулированы основные положения единой обобщенной модели, позволяющей адекватно объяснить изменения флуоресцентных свойств таких соединений в зависимости от их химической структуры, характера взаимодействия с субстратом, свойств среды измерения и т.д.
3. С использованием системы из двух флуорофоров со взаимодополняющими свойствами предложена новая схема анализа нуклеиновых кислот (НК), позволяющая проводить оценку не только общего содержания ДНК в пробе, но и степени изменения структуры клеточного генома.
4. С помощью вышеупомянутой схемы анализа генома «стандартных» биосистем разработаны новые методы для быстрого выявления возможного генотоксического воздействия на человеческий и другие живые организмы различных угнетающих факторов окружающей среды, продуктов питания, лекарственных и иных препаратов (в том числе при сочетанном действии на эти организмы других продуктов, препаратов и факторов окружающей среды, специфических для того или иного региона) – что является весьма актуальным в связи со все большими объемами производства и потребления различных фармакологических субстанций, генетически модифицированной продукции, иных продуктов биотехнологии… а также, в частности, может позволить проводить комплексную оценку степени экологического неблагополучия того или иного региона даже в том случае, когда «стандартными» методами не фиксируется превышение предельно допустимых норм ни по одному из вышеуказанных факторов, однако в сочетанном виде они способны оказывать значимое повреждающее действие на людей и другие живые организмы.
5. С использованием ДНК–специфичных флуорофоров разработан новый метод экспрессной оценки микробной обсемененности различных жидких сред непосредственно на месте отбора проб (что может позволить оценивать санитарно–гигиеническое состояние водоемов, проводить мониторинг процесса очистки воды, а также иных биотехнологических производств в течение нескольких минут, а не суток, как ранее), а также новый метод оценки индивидуальной радиочувствительности человека и других живых организмов (что может позволить, в частности, выбирать оптимальную дозу облучения больных при лучевой терапии, определять время, которое тот или иной человек может находиться без значимого ущерба для своего здоровья в зоне с повышенным радиационным фоном и т.д.).
Апробация работы. По теме диссертации автором получен патент на изобретение, а также опубликовано 50 работ (в том числе: одна монография; 16 статей в таких признаваемых ВАК ведущих периодических изданиях РФ, как: Журнал органической химии, Биоорганическая химия, Биохимия, Вопросы онкологии, Клиническая геронтология, Биотехносфера; 8 статей в зарубежных сборниках и периодических изданиях; а также 28 тезисов докладов на международных, всероссийских и российских конференциях, форумах, съездах и т.д.).
Объем и структура работы. Диссертация изложена на 184 страницах машинописного текста, включает 60 рисунков, 11 таблиц и состоит из введения, 5-и глав, заключения и библиографического указателя, включающего 403 работы.
