Химия, исследовательский путь и синтез олигосахаридов: интервью с Натальей Новиковой, инженером-исследователем ИОХ РАН

В рубрике, посвященной молодым ученым ИОХ РАН, представляем интервью с Натальей Сергеевной Новиковой, инженером-исследователем Лаборатории химии гликоконъюгатов. Наталья занимается химией углеводов и олигосахаридным синтезом — сложной, но крайне важной областью, которая находит применение в биомедицине и фармацевтике.

Одной из ключевых задач, которую решает Наталья в своей работе, является разработка новых методов синтеза олигосахаридов, родственных клеточной стенке опасного патогена Aspergillus fumigatus. Эти исследования направлены на создание новых материалов для диагностики и профилактики аспергилльных инфекций. Наталья рассказывает, как использование α-гликозил-доноров помогает синтезировать сложные молекулы с высокой стереоизбирательностью, как компьютерное моделирование становится незаменимым инструментом в углеводной химии, а также делится личными вызовами, с которыми сталкиваются ученые на пути к новым открытиям.

Почему выбор пал на углеводную химию? Что привело молодого ученого в ИОХ РАН и какие перспективы открывает синтез олигосахаридов? Узнайте больше в интервью:

Чему посвящены Ваши научные исследования в целом? Какую фундаментальную научную или практическую задачу Вы пытались решить?

Наши исследования посвящены методам синтеза сложных олигосахаридов, и конкретными объектами являются олигосахариды, структурно родственные фрагментам α-глюкана Aspergillus fumigatus. Синтез подобных структур представляет собой довольно сложную задачу, поскольку связан со стереоспецифичным построением α-гликозидной связи. Таким образом, в нашей работе объединены и фундаментальные вопросы, и практические, т.к. разработка методов α-гликозилирования — это пока нерешенная задача, а соединения, которые мы получили, очень важны для изучения различных иммунологических вопросов и создания диагностикумов и вакцин для обнаружения и профилактики аспергилльной инфекции.

Расскажите о вашей последней высокорейтинговой работе[1], опубликованной в 2023 году. В чем ее основная идея?

Наша работа посвящена синтезу олигосахаридов, родственным фрагментам клеточной стенки аспергиллов, грибов, некоторые виды которых являются опасными патогенами. Нашей задачей было получение серии α-олиго-(1→3)-глюкозидов, где ключевым элементом являлось построение 1,2-цис-гликозидной связи. Поскольку были получены достаточно крупные олигосахариды, то необходимо было изучить разные стратегии сборки цепи. Надо было разработать такие условия, чтобы реакция протекала селективно. Мы направленно искали комбинации защитных групп среди тех защит, стереоконтролирующий эффект которых нам известен как α-направляющий. Для поиска стереоспецифичных агентов α-направленного гликозилирования мы использовали компьютерное моделирование, которое сейчас является эффективным методом выбора оптимальных реагентов в химии углеводов. В результате наших исследований мы пришли к оптимальной комбинации защитных групп, наличие которых в гликозил-доноре обеспечила высокую, фактически абсолютную стереоизбирательность. Так, например, мы использовали трифторбензоатную защитную группу при O-6, бензильную группу при O-2 и O-4 и левулиновую группу при O-3. Мы сравнили бензоатную и трифторбензоатную группы, и по нашим результатам стереоспецифичность у фторзамещенных бензоатов оказалась выше. Необходимо было разработать условия α-гликозилирования и проверить на примере синтеза крупных олигогликозидных цепей, а также подтвердить не только стереоизбирательность, но и вообще эффективность такого рода доноров. Именно таким образом мы выполнили основную задачу и реализовали ключевую идею как выбор оптимальных α-гликозил-доноров. В ходе исследования было необходимо не только осуществить направленный синтез крупных олиго-α-глюкозидов, но и объяснить его причины.

Где и каким образом могут быть использованы полученные в этой работе результаты?

Прежде всего разработанные нами типы эффективных α-гликозил-доноров могут иметь приложение для получения других олигосахаридов, содержащих аналогичные структурные фрагменты. Так, мы сейчас активно работаем над получением олигосахаридов, родственных α-глюканам других типов. Кроме этого, олигосахариды необходимы для иммунологических исследований и мониторинга иммунного ответа против аспергилл. Также эти олигосахариды уже сейчас используются в качестве модельных субстратов для изучения углеводной специфичности фермента мутаназы, который расщепляет α-глюкан. Стоит отметить, что этот фермент имеет большое практическое значение, поскольку является компонентом различных дезинфицирующих и моющих средств.

В чем сложность и с какими трудностями Вы столкнулись во время выполнения этого исследования?  

Разработка эффективных гликозил-доноров — это большая и очень сложная задача. Наши объекты очень сложные, поскольку это крупные олигосахариды и работа с ними привносит специфические моменты, в частности, их низкая растворимость, что резко затрудняет работу на этапе удаления защитных групп. Для этого приходилось даже менять стратегию удаления защитных групп на последних этапах синтеза целевых соединений. Были сложности с растворимостью на последних этапах синтеза.

Помогал ли Вам кто-нибудь в решении возникающих проблем?

На всех этапах мне активно помогали, прежде всего, мой научный руководитель — Божена Сергеевна Комарова и заведующий нашей лаборатории Николай Эдуардович Нифантьев, который создал хороший, дружный коллектив. Также очень большая помощь оказывалась со стороны спектроскопистов ИОХ РАН — Андрея Сергеевича Дмитренка и Александра Олеговича Чижова. Конечно же, нужно отметить, что в ИОХе очень хороший парк дорогостоящих приборов и работа с такими сложными соединениями как олигосахариды совершенно невозможна без спектральной поддержки, которая используется, прежде всего, для установления структуры и чистоты получаемых соединений.

Есть ли у Вас дальнейшие планы по развитию этого направления исследования?

Поскольку мы получили перспективные типы α-глюкозил-доноры, то конечно мы будем развивать их применение на примерах других интересных олигисахаридов, в частности α-(1→3)-и α-(1→4)-олигоглюкозида.

Каким образом вообще вы попали в химию?

Когда мы жили в Астрахани, я ходила в обычную школу, которая была в аварийном состоянии. Нас перевели учиться в непредназначенные для этого помещения. Многих учеников перевели в другие школы, педагоги тоже ушли в другие учебные заведения. Было тяжело расставаться с любимыми учителями, но были и те, кто решил остаться в нашей школе, среди них была моя первая учительница по химии — Римма Андреевна Коробочка. Несмотря на то, что классные комнаты были совершенно не оборудованы, Римма Андреевна замечательно и понятно объясняла материал, и увлекла меня интересом к химии. В девятом классе я решила сдавать ГИА — в то время новый тестовый экзамен по химии. С этого момента я стала задумываться о химии в качестве моей будущей профессии. Второй, решающий этап был в 11 классе, тогда я попала в школу юного химика на Химическом факультете МГУ, и здесь опытные педагоги укрепили мой интерес к химии. В дальнейшем моя преподавательница по химии в школе юного химика стала руководителем моего диплома.

Меня со школы привлекала биологическая направленность и, когда я поступала на химический факультет, я выбрала группу Химии живых систем. Углеводная химия для меня оказалась идеальной областью в этом плане. В углеводной химии объединяется и тонкий органический синтез, и получение соединений, необходимых для изучения сложных биологических процессов.

Как оказались в ИОХе?

Один из курсов лекций, который у нас был на химфаке, нам читал Валентин Павлович Анаников. На его курсе студенты могли выиграть грант на обучение в ИОХе по одному из трех направлений: микроскопия, масс-спектрометрия и ЯМР. Я решила попробовать и выиграла грант на обучение ЯМР-спектроскопии, с удовольствием его прошла. Когда пришло время выбирать лабораторию для обучения в аспирантуре, я уже знала, какой институт выберу, а мой интерес к природным соединениям привел меня в Лабораторию химии гликоконъюгатов Николая Эдуардовича Нифантьева. Лаборатория прекрасно оборудована всем, что нужно для экспериментальной работы, здесь есть возможность заниматься как синтезом, так и биологическими исследованиями.

Какими, на Ваш взгляд, качествами должен обладать современный ученый?

Я думаю, что самое важное качество для ученого — любопытство. Химия — своего рода шкатулка, ключ к которой может открыть новый удивительный мир.

Какой совет можете дать своим коллегам?

Не нужно бояться пробовать себя в новых областях химии, потому что не всегда удается сразу найти то направление, которое вызывает научный интерес.