"Если вы возьмете песок и нагреете его до 500 градусов по Цельсию, ничего не изменится", - сказал Брэдли Смит, профессор естественных наук Эмиля Т. Хофмана в Университете Нотр-Дам. Поэтому Смит, который также является директором центра комплексной визуализации Нотр-Дама, был озадачен, когда Цандзя Чжай и Кассандра Шаффер, два докторанта кафедры химии и биохимии, которые работали в его лаборатории, обнаружили, что они изменили структуру частиц кремнезема - основного компонента песка - в 80 градусов по Цельсию, температура, подобная температуре чашки кофе.

Открытие произошло случайно. Частицы были микроскопически малы - тысячная часть диаметра человеческого волоса. Но, как и их более крупные аналоги с маркировкой "силикагель" на упаковках, прикрепленных к новым предметам одежды, эти частицы были пористыми и могли удерживать химическое вещество. В данном случае этим химическим веществом был синий краситель, используемый для обнаружения опухолей у мышей.

Новому красителю, разработанному в лаборатории Смита, требовалось много времени, чтобы проникнуть в узкие поры частиц. Итак, чтобы заставить молекулы двигаться быстрее, Шаффер и Чжай подогрели смесь почти до кипения и оставили ее на ночь. Когда они вернулись на следующий день, то увидели, что частицы посинели.

Чтобы подтвердить, что краситель полностью впитался, Шаффер и Чжай обратились за помощью к Татьяне Орловой и Максиму Жуковскому, экспертам по микроскопии в Центре комплексной визуализации Нотр-Дам.

Орлова и Жуковский получили изображения с помощью электронной микроскопии высокого разрешения, которые показали, что не только краситель был пропитан, но и сами частицы кремнезема изменили форму. Первоначальные частицы представляли собой одиночные сферы, слегка усеянные порами, похожими на кожуру апельсина. Новые структуры были сферическими и состояли из более мелких шариков, заполненных красителем. У них также были небольшие отверстия тут и там, которые открывали полую сердцевину внутри. В целом устройство напоминало пустотелую малину.

После удивления от первоначального открытия возник ряд практических вопросов. Какие еще химические вещества исследователи могли бы добавить в подобные частицы в форме малины? И, самое главное, останутся ли эти химические вещества активными даже после того, как окружающие их структуры изменят форму?

Коллега-докторант Джордан Честин занялся этими вопросами, повторив процесс с использованием лекарства от рака. После серии тестов он подтвердил, что лекарство от рака, загруженное в частицы, все еще активно и способно убивать раковые клетки.

По словам Смита, это открытие предлагает новый инструмент для повышения эффективности существующих лекарств.

"То, что у нас есть сейчас, - это способ просмотреть весь каталог аминосодержащих препаратов, и, следуя простым шагам, которые мы обнаружили, мы можем создавать новые версии существующих лекарств, которые могли бы быть более эффективными или иметь меньше нежелательных побочных эффектов", - сказал он.

Смит и его ученики обнаружили, что незначительные изменения в процедуре загрузки позволяют им варьировать толщину частиц, предлагая целый ряд новых возможностей для точной настройки частиц для высвобождения лекарств с разной скоростью. Уникальная структура новой частицы также может позволить загружать ее более чем одним ингредиентом - например, лекарственным средством во внешнем слое и красителем внутри "малины" - чтобы улучшить способность исследователей наблюдать за высвобождением лекарств.

Кроме того, новая частица, по словам Смита, также проливает свет на малоизученный биологический феномен, известный как биоминерализация.

"Мы обнаружили, что аминосодержащие препараты обладают определенными химическими свойствами, которые ускоряют процесс разложения и преобразования кремнезема, и мы думаем, что это похоже на то, что происходит в природе", - сказал он. Смит упоминает в качестве примера диатомовые водоросли, разновидность микроскопического планктона, и их тонкие стеклообразные раковины, образованные из кремнезема.

"У этих микроорганизмов есть механизмы, которые позволяют им брать песок и превращать его в свои раковины", - говорит он. "И они явно делают это при относительно низкой температуре, используя органические молекулы. То, что мы обнаружили, потенциально является частью химии, лежащей в основе этого процесса".

Поскольку Смит и его лаборатория продолжают внедрять инновации, они черпают вдохновение как от природы, так и от открытий в лаборатории. "Общий урок здесь, - говорит он, - заключается в том, что мы можем обнаружить в лаборатории, как работают естественные процессы, а затем мы можем использовать эти знания и имитировать эти процессы для создания чего-то совершенно нового".

Это открытие стало возможным благодаря финансированию Национального научного фонда и Национальных институтов здравоохранения.