В период Древнего Египта божество Анубис с головой шакала и телом человека, являясь покровителем некрополей, также почитался как хранитель ядов и лекарств.

В Древней Греции и Риме, в свою очередь, яды нередко применяли для устранения соперников и даже использовали в качестве инструмента правосудия. Например, токсичные свойства многолетнего растения аконит (лат. Aconítum), содержащего алкалоид – аконитин, применяли для умерщвления преступников, приговоренных к смертной казни. Кроме того, всем известный древнегреческий философ Сократ также закончил свои дни, приняв растительный яд. 

Иными словами, свойства различных веществ известны человечеству еще со времен Древнего Египта и античности. В силу объективных причин люди, безусловно, стараются избегать всего, что содержит страшное слово «яд». Но благодаря современным технологиям, смертельные вещества в наши дни также способны стать и лекарством от целого ряда серьезных заболеваний. Но обо всем по порядку.

Яды – это вещества, способные при попадании в организм в определенных дозировках относительно массы тела вызывать интоксикацию или летальный исход.

Один из наиболее распространенных вариантов – пероральный. Например, никотин, фенол и цианиды усваиваются через слизистую оболочку ротовой полости и в желудочно-кишечном тракте. В газообразном состоянии опасные вещества (формальдегид, сероводород и другие) попадают в кровь ингаляционно – с помощью верхних дыхательных путей. Соли ртути и таллия, например, способны попадать в организм при соприкосновении с кожным покровом.

По своему происхождению все яды в широком смысле делятся на органические и неорганические. К числу органических ядов относятся все те, что продуцируются бактериями (бактериотоксины) и плесневыми грибами (микотоксины), выделяются растениями (фитотоксины) и животными. Это токсичные вещества белковой природы.

К неорганическим ядам относятся различные химические соединения в виде солей металлов, щелочи, кислот, а также их производные. Одним из наиболее ярких примеров таких опасных химических связей является цианистый калий.

Значимым отличием токсинов белковой природы от неорганических ядов является способность первых проявлять антигенные свойства. Иными словами, при попадании в организм человека вырабатывать к ним же иммунитет. 

Этот факт наглядно демонстрируется историей правителя Понтийского царства Митридата VI (117–63 до н.э.), который с детства приучал организм к известным в тот период ядам, постепенно увеличивая дозы. И, когда он решил покончить жизнь самоубийством, ему пришлось использовать меч, поскольку яды оказались бессильны. Так ли это на самом деле – неясно, но в токсикологии такую невосприимчивость, выработанную путем систематического приема ядов в малых дозах, и сегодня называют «митридатизм». 

Кроме того, как правило, неорганические яды – известные современной науке – имеют свои антидоты (вещества, способные нейтрализовать токсичное действие), чего нельзя сказать обо всех органических токсинах. Из-за этого последние являются наиболее опасными.

Интересный факт, но не все знают, что плесневые грибы или бактерии сами не являются причиной отравления организма. Например, дизентерию и сальмонеллез вызывают не бактерии из рода шигелл (лат. Shigella) и сальмонелл (лат. Salmonella), а токсины, выделяемые ими в процессе жизнедеятельности. Более того, множество ключевых симптомов различных инфекционных заболеваний обусловливаются ростом концентрации этих токсинов и их активным действием на организм.

К одному из наиболее сильнодействующих токсинов, относящихся к органическим ядам, которые известны современной науке, относится ботулотоксин. По данным исследований Американской медицинской ассоциации, всего один грамм этого кристаллизованного вещества, способен убить 1 млн человек.

Токсин вырабатывается анаэробными бактериями рода клостридий (лат. Clostridium botulinum). Они размножаются исключительно при полном отсутствии кислорода. Например, консервированная продукция и колбасные изделия могут стать идеальными условиями для жизнедеятельности данного рода бактерий.

Попадая в организм вместе с пищей, ботулотоксин воздействует на нервную систему, вызывая нарушения в ее работе за счет блокирования нервно-мышечной передачи, что может приводить к парализации дыхательных мышц и сердца. Ботулотоксин опасен еще и тем, что не обладает вкусом, цветом и запахом.

Известны семь типов ботулинических токсинов (А, B, С, D, E, F, G), вырабатываемых бактериями различных штаммов. Различия в их структуре – набор и количество аминокислот, последовательность их сцепления, иммуногенные свойства, уровень токсичности. И, хотя по характеру влияния на организм они похожи друг на друга, антидот для одного вида токсина не способен нейтрализовать действие другого.

Наиболее опасным для организма человека признан токсин типа А. Заболевание, вызванное ботулотоксином, впервые было зафиксировано в Германии в XVIII веке. Симптомы проявились после употребления в пищу колбасного изделия. Отсюда общепринятое название болезни – ботулизм (от лат. Botulus – колбаса).

Еще несколько десятилетий назад упоминание о ботулотокснинах приводило в беспокойство мировое сообщество, которое знало о свойствах опасного яда.

Военные, в свою очередь, раздумывали о применении свойств токсина в качестве оружия массового поражения. Например, во время Второй мировой войны ботулотоксин типа А всерьез рассматривался Соединенными Штатами Америки, Англии и Канады как перспективное биологическое оружие. Более того, есть версия, что токсин даже был использован представителями чехословацкого сопротивления для убийства одного из нацистских деятелей, координатора деятельности по борьбе с внутренними врагами Третьего рейха Рейнхарда Гейдриха.

Интерес к одному из опаснейших ядов с точки зрения медицины появился в XX веке, когда его всесторонние исследования в военных целях легли в основу получения высокоочищенного кристаллического ботулинического токсина типа А.

В 70-х годах прошлого столетия очищенный токсин в медицинских целях впервые применил американский врач-офтальмолог Алан Скотт, который делал инъекции этого вещества в микродозах в орбитальную мышцу глаза для лечения блефароспазма. Успешный опыт американского ученого стал движущей силой для проведения дальнейших исследований и его применения в мирных целях.

Сегодня препараты на основе ботулинического токсина применяются в медицине для лечения целого ряда заболеваний, а за микродозы этого «яда» миллионы пациентов по всему миру готовы добровольно доплачивать. Россия в этом плане не исключение, и вот почему.

В 2014 году на российский рынок поступил первый лекарственный препарат на основе ботулинического токсина типа А отечественного производства. Разработчиком выступило научно-производственное объединение «Микроген» (входит в холдинг «Нацимбио» Госкорпорации Ростех).

Для производства препарата ученые предприятия разработали специальную технологию очистки опасного токсина, которая позволила до стадии культивирования избавляться от 90% высокомолекулярных белковых загрязнителей, что снижает общую белковую нагрузку на организм человека и минимизирует вероятность развития аллергических реакций.

Впервые российская новинка была применена в косметологии – для коррекции мимических морщин. Механизм действия ботулотоксина позволял снизить активность мышц, что приводило к сглаживанию гиперкинетических морщин лица. По оценкам аналитиков Ростеха, в эстетической практике за последние пять лет первый отечественный ботулотоксин применен более чем у 850 000 человек.

Успешное применение токсина в косметологии позволило ученым Ростеха продолжить изучение его действия и в других областях медицины. Результатом работы стало расширение показаний к применению – препарат стал первой альтернативой иностранным аналогам в эстетической косметологии и в лечении неврологических заболеваний, поддающихся терапевтической коррекции ботулиническими токсинами типа А. 

В общей сложности сегодня российская разработка применяется более чем по пяти показаниям в медицине. В частности, препарат используется для лечения блефароспазма, спастичности мышц верхних конечностей после инсульта, при гипергидрозе, а также является первым российским лекарственным средством на основе ботулотоксина, применяющимся в лечении спастических форм детского церебрального паралича (ДЦП) в возрастной группе от 12 до 17 лет.  
В 2019 году ученые Ростеха также приступили к клиническим исследованиям токсина для расширения возможностей его применения в терапии цервикальной дистонии и лечения хронической мигрени. Завершение исследований запланировано на 2020 год. 

Видимо, прав был швейцарский алхимик, врач и философ, один из основоположников современной фармакологии Парацельс, живший в далеком XVI веке, когда говорил: «Всё – яд, всё – лекарство. То и другое определяет доза». И кто знает, возможно, в скором будущем вещества, считающиеся сегодня крайне опасными, в том числе благодаря активной деятельности российских ученых, позволят создать первое лекарство, способное вылечить даже на самых поздних стадиях опаснейших заболеваний.

Автор: Анатолий Кизуб, пресс-служба АО «НПО "Микроген"

Константин Новоселов, который делится с читателями «ПМ» этим несложным рецептом, был первым человеком, собственноручно получившим графен – материал, который, как считалось, вообще не может существовать. Мы беседуем в одной из аудиторий МФТИ, куда Новоселов приехал прочитать лекцию об исследованиях «нобелевского» материала. На стене напротив висят портреты выдающихся физиков. Среди них – Лев Ландау, который еще в 1937 году вроде бы окончательно доказал, что и графен, и другие двумерные кристаллы должны быть настолько нестабильны, что синтезировать их никогда не удастся. И все же в 2004 году Новоселов с Геймом обошли запрет Ландау и получили двумерный углерод, причем без какого-либо сложного оборудования – тем самым способом, который может повторить у себя на кухне любой читатель. Я спрашиваю Новоселова, как ему удалось пойти против авторитета самого Дау.

«Да я и сам абсолютно точно знал, что это невозможно, что настоящий однослойный углерод получить не выйдет. Но, во-первых, интересно – если не нельзя получить один слой, можно ли сделать два? А три? Было бы очень занимательно узнать, как в данном случае решается "парадокс кучи". А во-вторых и в-главных, порой вместо того, чтобы рассуждать об эксперименте, лучше просто попробовать его сделать», – отвечает Новоселов.

В лаборатории Андрея Гейма, где тогда работал Константин, эта практичная философия была воплощена в традицию так называемых пятничных экспериментов. Подразумевалось, что любой может испытать свою самую безумную идею, если только это не потребует слишком больших ресурсов. В ходе одного из таких опытов, например, оказалось, что за счет диамагнитных свойств воды можно заставить левитировать растения и животных – достаточно поместить их в очень сильное магнитное поле. Этот полушуточный эксперимент впоследствии принес Гейму Игнобелевскую премию (за несколько лет до Нобелевской), а отважному хомячку Тише, испытавшему на себе действие поля, – соавторство в статье. Было еще много других «пятничных проектов», большинство из которых, конечно, так ни во что и не воплотились. Однако именно в их ряду возникла та самая безумная идея – получения «невозможного» одноатомного углерода с помощью скотча.

«Журналисты давно прозвали нас "мусорными учеными", – шутит Новоселов. – То, что другие десятками лет выкидывали в корзину, мы решили подобрать и исследовать». Речь идет об идее использования техники расслоения материала, которую удалось подсмотреть у микроскопистов: они обычно употребляют графит в качестве стандартного объекта и для того, чтобы подготовить его к исследованию, наклеивают и отрывают липкую ленту. Получается почти идеально ровная подложка, а вот то, что остается на скотче – собственно графен, – всякий раз отправлялось в корзину. Однако в какой-то момент на ее содержимое обратили внимание Новоселов и Гейм – внутри оказался не просто «нобелевский» материал, но один из самых необычных объектов в физике.

Свойства графена описывают исключительно в превосходной степени. Это самый тонкий из всех возможных материалов, самый прочный, самый эластичный из всех кристаллов. Графен совершенно непроницаем для любых молекул, если только специально не сделать в нем дырок (и использовать его как молекулярное сито). Он обладает рекордной теплопроводностью и прозрачнее любых других проводящих материалов, что в сочетании с высокой гибкостью позволяет надеяться на скорое появление прозрачных дисплеев на его основе.

Уникальную теплопроводность двумерного углерода уже сейчас применяют в производстве некоторых экспериментальных светодиодных ламп. Ее же пытаются эксплуатировать и создатели первого графенового мотошлема: по их словам, материал обеспечивает равномерное распределение тепла при ударе.

И все же с точки зрения чистой физики все эти превосходные степени бьют мимо цели, ведь самое интересное в одноатомном углероде – это не прочность и гибкость, а необычные электронные свойства, аналогов которых нет ни в одном другом материале. С этой точки зрения графен – уникальная тестовая площадка для разработки самых фундаментальных теорий, своеобразный «ЦЕРН на столе». По словам автора этой метафоры, теоретика Михаила Кацнельсона, за несколько лет существования «живого» графена в теории однослойных материалов произошел гораздо больший прогресс, чем за все те 70 лет, когда он был лишь теоретической конструкцией.

Говорить об этих свойствах, не прибегая к формулам, почти невозможно, но вот лишь пара примеров. Носители заряда в графене ведут себя как частицы без массы покоя – фактически как фотоны в вакууме. Они не обладают инерцией, поэтому графен остается проводником даже в области очень высоких частот. Они могут туннелировать сквозь потенциальные барьеры, причем независимо от высоты последних – такое поведение редкость даже в «обычной» квантовой физике. Графен остается проводником, даже если носителей заряда почти вовсе нет – их нет, а ток есть.

На фоне всех эти экзотических свойств современные применения графена кажутся даже не вершиной айсберга, а лишь одиноким пингвином на его утесе. И пока инженеры продолжают эксплуатировать механические особенности однослойного углерода, Новоселов и другие физики пытаются протянуть мостик к его электронным свойствам, создавая на его основе сложносоставные «сэндвичи». И графен в их составе играет лишь роль первого среди равных.

«Что делает инженер, если ему нужно создать какое-то принципиально новое электронное устройство? Он берет уже существующие материалы (а это почти всегда кремний), изучает их электронную структуру, запрещенную зону и все остальное и, основываясь на этом, пытается сделать что-то новое. В идеале все должно происходить иначе. Чтобы инженер сначала думал о том, что он хочет получить, и уже потом с нуля, слой за слоем, создавал материал для нового устройства». Именно в этом направлении сейчас работает лаборатория Новоселова.

Механические свойства графена делают его идеальным кандидатом для создания и рекордно легких часов, и акустических мембран для наушников, от которых требуется прежде всего сочетание прочности с минимальной массой.

Материалы, полученные наложением однослойных кристаллов друг на друга, – их называют гетероструктурами – потенциально позволяют получать устройства с самыми необычными функциями. Те, что реализованы сегодня, – транзисторы, сенсоры, LED-излучатели – все еще очень далеки от реального применения и пока могут лишь иллюстрировать возможности самого подхода. Но даже эти возможности выглядят весьма футуристично.

«Возьмем, например, просто два слоя графена и поместим между ними любой изолятор, – приводит Новоселов пример из лекции. – Туннелирование между листами графена будет зависеть не только от толщины слоя изолятора, но и от их вращения друг относительно друга, а также их растяжения. Самое интересное, что зависимость силы тока от напряжения даже в таком простом устройстве будет очень необычной: в какой-то момент ток будет уменьшаться, а не расти с напряжением. Мы получим что-то вроде отрицательного сопротивления, что довольно редко можно встретить где-то еще. Такое поведение может найти множество применений, например в высокочастотной микроэлектронике».