Химически детективи

Проф. Людмил Антонов е тазгодишният носител на голямата награда „Питагор“ на Министерството на образованието и науката за цялостен принос в развитието на науката. Той е професор по химия в Института по електроника на БАН и водещ изследовател по Националната научна програма ВИХРЕН. Работи в областта на физичната органична химия и молекулната спектроскопия.Влечението му към химията пробужда учителката Венера Панчева още когато е ученик в 4. основно училище в Петрич. „Харесваше ни, че правим опити, че нещо в епруветките се променя и че можем да обясним какво се случва“, спомня си днес проф. Антонов. По това време той все още не мисли, че химията ще стане негова професия. Просто му е интересно да експериментира. Но приемането му в химическата паралелка на Националната природо-математическа гимназия (НПМГ) предопределя бъдещото му развитие.„Когато бях ученик, съществуваха т.нар. Учебно-производствени комплекси (УПК) – разказва той. – Идеята беше да учим по гимназиалния курс до Х клас и после в XI клас имахме възможност за усвояване на професия. НПМГ беше асоциирана към Софийския университет и нас, химиците, ни разпределиха в лабораториите на Химическия факултет, за да придобием квалификация като лаборанти. Попаднах в Лабораторията по молекулна спектроскопия на проф. Стефан Стоянов, която се занимаваше с изследвания върху свойствата на багрила. Той почна да ме учи на занаят – в химията е необходимо човек да има практически умения. Като завърших XI клас, бях един що-годе обучен лаборант. Това беше в началото на 80-те, когато компютрите навлизаха в живота и в науката. В България се произвеждаха компютри ИМКО-2 и „Правец-8“ и „Правец-16“. В НПМГ бях се научил да работя на компютър и да програмирам. Така се събраха, от една страна, молекулната спектроскопия, която генерира много данни, нуждаещи се от обработване – дотогава това е ставало на ръка или с калкулатор. От друга страна, по същото време все още нямаше комерсиални програми, а аз можех да програмирам. Съвсем логично се получи спойката между компютрите и молекулната спектроскопия. Това продължи през целия ми живот – използването на изчислителни методи в химията. Беше съвсем естествено, докато бях студент, да бъда и кръжочник в тази лаборатория – всяко свободно време от лекции или упражнения прекарвах в нея. Това беше много полезно, защото за тези 5 години освен теоретичните и практичните знания по химия, които усвоявах-ме като студенти, придобих опит в решаване на реални проблеми от практиката. Въпреки че апаратурата беше относително стара, а компютрите – без съответното софтуерно осигуряване, ми изглеж-даше съвсем естествено да почна докторантура на същото място.“Проф. Антонов разказва за уникалната методология за анализ на сложни равновесни системи, която разработва. В химията има процес, наречен тавтомерия, който е важен и от практическа, и от фундаментална гледна точка. Това е процес, при който един водороден атом се премества, под действие на средата, от едно място в молекулата на друго, което води до драматична промяна на свойствата ѝ. Защо е важен като процес? Базите, които изграждат нуклеиновите киселини, са тавтомерни. В голяма степен предаването на наследствената информация и съответно натрупването на грешки, които водят след това до злокачествени образувания, са свързани с това доколко и в каква тавтомерна форма е всяка от тези бази. Тавтомерията е свързана и с биологично активните вещества, синтетични или природни – голяма част от тях са тавтомерни и в зависимост от това под каква форма съществуват, могат да имат по-слаб или по-силен биологичен ефект. Това днес е едно модерно направление в дизайна на нови лекарствени средства. Тавтомерията играе важна роля при слънцезащитните кремове – голяма част от тях се базират на пренос на протон, т.е. на тавтомерия във възбудено състояние; при багрилата – тяхната стабилност зависи от тавтомерната форма на съответното багрило; то може да бъде по-стабилно при излагане на светлина или обратното.Когато проф. Антонов започва да се занимава с тавтомерия, основният проблем тогава е, че се използва изключително описателен подход – може да се каже за даден разтворител при дадена температура, че съотношението между формите се променя, но не и с колко. „При аналитичната химия, за да анализирате една смес, трябва да имате нейните компоненти в чиста форма, за да знаете как изглежда техният индивидуален сигнал – обяснява ученият. – При тавтомерията това е невъзможно, защото тя е динамичен процес, няма как да се отделят физически отделните форми. Затова дълго време се смяташе, че тавтомерните процеси не може да се изследват количествено – т.е. да кажете при тези условия имаме например 55% от едната форма, 25% от другата и остатъкът е от третата. Но благодарение на математическата ми подготовка, успях чисто теоретично да формулирам математическите условия, при които такива процеси могат да се анализират.“Ученият, заедно със своите сътрудници, създава софтуер, започва да го тества в реални системи и се оказва, че програмата работи. Това предизвиква пробив в изследването на тавтомерните системи – вече може да се каже точно какво е съотношението на отделните форми при различни системи. Появява се и друг непосредствен ефект – примерно при дизайна на нови багрила. При желание за получаване на определена форма ученият и неговият екип са в състояние да обяснят какво точно има в разтвора, и да подскажат на специалистите, които разработват нови багрила, какви структурни промени могат да направят, за да се отмести равновесието към желаната форма. При биологично активните вещества също е възможно да се каже на база на техните молекулни спектри коя форма преобладава в даден разтвор.Използването на математически методи в молекулна спектроскопия при изследване на тавтомерни системи, което води до дизайн на нови лекарства и високотехнологични функционални молекули, е едното направление, върху което работи водещият изследовател, и по-фундаменталният аспект в работата му. Другото направление е експресният анализ, който се базира също на молекулната спектроскопия – т.нар. спектроскопия в близката червена област. Идеята е, че всяко вещество има нещо като пръстов отпечатък и това е неговият спектър, който може да се регистрира. В сложни системи като храни, напитки, етерични масла има стотици компоненти. Много от тези компоненти се регулират чрез съответните ISO стандарти и за индустрията е важно да може бързо да ги оцени. Другият аспект на експресния анализ е той да бъде недеструктивен.„Когато се анализира вино, може да се отлее от една бутилка, да се обработи пробата и тя да се анализира. Но когато става дума за много стара икона, не може да си отчупите парче от нея – подчертава проф. Антонов. – Идеята на концепцията за недеструктивен анализ е на базата на предишен анализ да създадем математически модел и когато се вземе нова проба, само да се снеме нейният спектър. Не е необходимо тя да се подлага на химическа обработка, за да се изследва. Просто този спектър отива към базата данни и може с голяма степен на точност да се оцени колко са компонентите, които ни интересуват. И то за секунди. Грешката в тези случаи е по-голяма от класическите аналитични методи, но производителите се нуждаят от нещо, което става бързо и не разрушава пробата.“Ученият дава и друг пример. България е най-известният производител на розово масло, тъй като то е с най-добро качество в света – резултат от уникалните почвено-климатични условия. Много страни също произвеждат розово масло, но с по-ниско качество. Преди няколко години цената на родното розово масло надхвърля десет хиляди евро на литър. Понеже това е скъп продукт, то може да стане и обект на фалшифициране – примерно да бъде смесено с по-евтино розово масло. Това веднага може да се установи при анализ в лаборатория, но проверката отнема време. А понякога е необходимо да се реагира много бързо.Затова проф. Антонов и екипът му работят по проект за експресен анализ на българско розово масло. Крайната им цел е да създадат миниатюрни портативни апарати (с големината на кибритена кутийка), които могат да се свързват със смартфон и да предават информация към облачна база данни, от която да получават резултати веднага. В момента екипът създава база данни за розовото масло. Този подход може да се приложи върху всякакъв вид продукти – кашкавали и сирена, вина, напитки и др. Китайска фирма вече е създала смартфон с инфрачервена камера. Когато с нея се снима храната в чинията, човек получава информация колко калории има в неговата порция.„Този метод на анализ е перспективен и е важна част от т.нар. зелена химия – за този тип анализи не се използват химикали, няма и отпадни продукти, ще се гарантират бързина и възможност за използване от всеки, без да е нужна квалификация“, обобщава проф. Антонов.

Проф. Людмил Антонов печели проект по Националната програма ВИХРЕН през 2019 г., насочен към използване на тавтомерията като движещ механизъм за т.нар. молекулни устройства – единични молекули, които могат да извършват физическа работа. Това са системи, които са много по-малки от актуалните сега наночастици. През 2016 г. Нобеловата награда за химия получават Жан-Пиер Соваж, сър Фрейзър Стодарт и Бен Феринга за приноса си към проектирането на молекулни машини. Това е изключително перспективно направление за бъдещи изследвания и създаване на нови градивни елементи за компютъра на бъдещето и за бъдещите нанороботи.