Современная биотехнология всё больше напоминает магию – с помощью специальных средств и экспертных знаний можно редактировать геном или направленно, точечно влиять на различные механизмы, протекающие в организме человека. В одной из наших предыдущих статей мы говорили о таком инструменте, как пептиды, рассматривали их виды и свойства. Но как заполучить такую палочку-выручалочку в свой арсенал средств для решения эстетических проблем? Какие технологии доступны для получения пептидов? Почему синтетические активные ингредиенты в косметике – это хорошо? Ответы на эти вопросы в нашей статье.
Для чего нужны синтетические пептиды?
Как мы уже знаем, пептиды – это биополимеры, состоящие из аминокислот (как в неизменном виде, так и имеющих модифицированную структуру), связанных между собой пептидной связью. Образование пептидной связи происходит путем реакции конденсации – отщепления молекулы воды, образованной остатками карбоксильной и аминной групп.
Принято считать, что в одной молекуле пептида не должно быть более 100 мономеров – полимеры, имеющие большее количество звеньев, называют белками. В составе косметики для накожного применения можно встретить молекулы белковой природы, имеющие различный размер и молекулярную массу, которая обуславливает их проникающую способность и, соответственно, границы применения. Так, пептиды с молекулярной массой 1 кДа (ок. 8 аминокислот) можно встретить в кремах и сыворотках, а из коллагена (молекулярная масса ок. 300 кДа) изготавливают маски для профессионального применения.
С инъекционной косметологией всё сложнее: специалист вводит препараты парентерально, то есть, ингредиенты проникают в глубокие слои кожи в неизменном виде, минуя ее защитный барьер. Соответственно, при некорректно подобранном соотношении ингредиентов, или в том случае, когда молекулярная масса активного ингредиента близка к массе распространенных антигенов (ок. 10 кДа, хотя порог появления антигенности наступает уже от 1 кДа [1]), существует риск активации иммунного ответа. Логично предположить, что вместо коррекции состояния кожи и адекватной терапии в таком случае можно легко получить обратный эффект.
Самый короткий пептид, естественно вырабатывающийся в животном организме – это трипептид глутатион. Как и в случае любого другого пептида, его действие реализуется по принципу «ключ-замок», то есть для запуска каскада биохимических реакций требуется определенная структура молекулы.
Также известно, что чем меньше размер молекулы, тем легче она встраивается в метаболизм в тканях организма. Следовательно, для обеспечения безопасности и эффективности внешнего воздействия необходимы синтетические вещества, имеющие адекватную структуру и свойства. И здесь на помощь косметологу приходит биотехнология.
Биосинтез и химия
С точки зрения химии, если молекула имеет определенную структуру, способную влиять на обменные процессы в тканях, то неважно, была она синтезирована самим организмом или поступила извне. Цель большей части работ по синтезу пептидов заключается в создании молекул, идентичных природным, и одно из основных преимуществ этого процесса – возможность создания вещества со строго определенными свойствами.
Если бы перед химиком возникла необходимость получить молекулу с определенной структурой, имея только натуральное сырье, решение задачи было бы связано с проведением сложного многоступенчатого процесса по выделению целевого продукта. Эффективность процесса при этом составит порядка 30 %, а с учетом стоимости материалов и оборудования – и того ниже. Кроме того, не все естественные биохимические реакции отличаются высокой селективностью, что усложняет процесс получения и финальной очистки целевого продукта.
Так, например, для получения трипептидов - матрикинов из натурального коллагена применяют гидролиз. Ход реакции в данном случае можно сравнить с ударом молотком по фарфоровой чашке – коллаген обрабатывают раствором кислот, нагревают, и затем разделяют получившуюся смесь «осколков». Из-за максимальной схожести строения продуктов реакции, отделить их друг от друга достаточно сложно, а говорить о получении конкретного продукта синтеза и вовсе не приходится.
В случае синтеза полимеров из их структурных звеньев, задача упрощается из-за применения более тонкой технологии. Зная необходимую последовательность аминокислот, можно как из конструктора собрать необходимый пептид. В свете развития методов по подготовке и очистке целевых продуктов синтеза, возможна практически полная автоматизация его основных процессов и масштабирование процесса из пробирки в промышленный реактор.Но и здесь есть свои нюансы.
Методы синтеза пептидов
Рассмотрим химическую составляющую процесса [2]. Допустим, у нас есть два раствора аминокислот – глицина (Gly) и аланина (Ala), причем каждая аминокислота имеет и карбоксильную, и аминную группу. Наша цель - получить дипептид структуры Gly-Ala. В идеале, уравнение реакции будет выглядеть следующим образом:
Gly + Ala = Gly-Ala (1)
Но, при простом смешении двух растворов и создании необходимых условий протекания реакции, мы можем получить и побочные продукты реакции: Gly-Gly, Ala-Ala и Ala-Gly, что сильно повлияет на чистоту целевого вещества и усложнит этап его выделения. Как избежать подобных ошибок и увеличить выход целевого продукта?
В настоящее время существует множество методик синтеза пептидов, которые условно можно разделить на две большие группы – это жидкофазный и твердофазный синтез. Жидкофазный синтез предполагает проведение реакции полимеризации в растворе с применением так называемой защиты реакционных центров – специальных молекул, которые соединяются с активными центрами аминокислот, ограничивая их реакционную способность и направляя ход реакции в необходимое исследователю русло.
Цель проведения твердофазного синтеза аналогична – это контроль направления реакции, но не в растворе, а на специальном носителе, к которому посредством химической связи присоединяют (блокируют) первое звено будущего полимера, и далее ведут процесс, аналогичный жидкофазному синтезу. По окончании реакции полученный полимер деблокируют и очищают.
В твердофазном синтезе также применяют механизмы защиты реакционных центров, но делают это не индивидуально, по каждому мономеру, а непосредственно в ходе процесса синтеза при наращивании длины молекулярной цепочки. К тому же, после каждого присоединения мономера, проводится промывка синтезируемой молекулы, удаляющая излишки реакционной смеси.
Принципиальная разница этих подходов, помимо реакционной среды – это эффективность реакции и простота очистки финального продукта. Существует множество способов очистки и разделения продуктов синтеза. Это и хроматографичекие методики, и электрофорез, и прочие доступные варианты. Цель у них одна – обеспечить на выходе максимально чистый (ок. 95%) полимер, отделенный от потенциально опасных примесей, оставшихся от реакционной среды.
Безопасность синтетических пептидов
Как отмечалось выше, выделить из реакционной среды синтетический пептид несложно, так как целевой продукт имеет кардинально иную структуру. Так, например, хроматография позволяет проводить разделение смеси по принципу молекулярного сита, очищая нужный пептид.
Полимеры, применяемые в фармацевтической промышленности, помимо механической очистки также проходят необходимые испытания на токсикологическую безопасность, подтверждение состава и биосовместимость с тканями организма. Каждая партия активных ингредиентов такого уровня сопровождается сертификатами качества, что при грамотном применении и введении в состав специальных средств гарантирует их безопасность и эффективность, как при наружном, так и парентеральном способе применения.
Список литературы
1. Петров Р.В. Иммунология, М., 1987
2. Х. – Д. Якубке, Х. Ешкайт. Аминокислоты. Пептиды. Белки, М. 1985
3. David L. Nelson, Michael M. Cox Lehninger Principles of Biochemistry. — 4. — W. H. Freeman, 2004. — 85 с
4. Хавинсон В., Рыжак Г. Пептидные биорегуляторы в коррекции возрастных изменений. Эстетическая медицина 2010; том IХ; №4
5. Jaradat, Da’san M. M. (2017-11-28). "Thirteen decades of peptide synthesis: key developments in solid phase peptide synthesis and amide bond formation utilized in peptide ligation". Amino Acids. 50 (1): 39–68.