Гаджеты для ученых: какими стали современные научные приборы30.11.2022 17:33

На примере исследований российских ученых вы увидите, как потомки древних «гаджетов» помогают нам лечить болезни, комфортнее жить и узнавать лучше самих себя. Материал собран по мотивам совместной выставки Российского научного фонда и Политехнического музея «Фундамент будущего».

Современная биология и медицина начались с изобретения микроскопа. Но просто увеличить изображение объекта недостаточно — сам объект перед изучением в большинстве случаев требует специальной обработки. Чтобы изучить устройство тканей живых существ, гистологи нарезают образцы тонкими, в сотые доли миллиметра, слоями и затем переносят эти полупрозрачные срезы на предметное стекло.

Но изготовить ровный срез толщиной меньше волоса ещё полдела. Если такой срез рассматривать под микроскопом, много увидеть не получится: клетки и межклеточное вещество, как правило, бесцветны. К тому же оставленный на стекле образец животной ткани быстро высохнет и испортится. Поэтому стекло со срезами обрабатывают специальными красителями, вытесняют из тканей воду, добавляют консервант и заливают тонким слоем парафина. Завершает процесс наложение покровного стекла. В результате получается уже не кусочек ткани, а гистологический препарат. Он не портится со временем, и на нём легко разглядеть как клетки, так и их окружение.

Отработанные методы приготовления гистологических препаратов дали медикам и биологам едва ли не столько же, сколько изобретение микроскопа. По сей день именно гистологи занимаются подготовкой образцов тканей для поиска злокачественных клеток: без этого невозможно адекватно спланировать лечение онкологических заболеваний. А в области фундаментальных исследований без гистологических препаратов просто невозможно определить, что происходит с организмом в той или иной ситуации.

Несмотря на то что срезы тканей обрабатываются спиртами для обезвоживания и консервируются при помощи формалина, иногда даже из пролежавших много лет препаратов можно выделить фрагменты ДНК.

Современные гистопрепараты внешне ничем не отличаются от препаратов прошлого. Но если раньше их делали вручную или с использованием простых механических приспособлений, то сегодня он полностью автоматизирован. Это позволило не только существенно ускорить изготовление препаратов и облегчить работу исследователя, но и повысить качество и воспроизводимость получаемых результатов.

Когда-то учёные узнавали, откуда произошли породы животных, изучая строение черепов. Сегодня это научились делать, анализируя остатки ДНК в музейных и археологических образцах, таких как эта коллекция гистологических препаратов.

Многие знают, что коровы бывают разные и отличаются, например, мастью, то есть окрасом: есть бурые, красные, чёрные с белыми пятнами. Породы выводили в разных регионах мира, в том числе и в России, и отбирали по целому ряду признаков в зависимости от цели. Так, есть породы мясные (отбор по способности быстро расти и достигать большого веса) и молочные (отбор по количеству молока и его качественным характеристикам). 

В Якутии есть своя порода коров, якутская. Она способна жить и размножаться в условиях вечной мерзлоты, когда температура зимой доходит до минус 50 градусов Цельсия. Европейские породы в таком климате и при такой кормовой базе просто не выживают.

Или холмогорская порода из Архангельской области, в создании которой, как полагают, принимали участие два быка, завезённых Петром I. В Холмогорах — продуктивные заливные луга, и животные, которые паслись на этих лугах, давали много молока хорошего качества. До революции эта порода была основным поставщиком молока для царского двора. Но какой эта порода была раньше и насколько сильно отличаются современные животных от своих исторических предков?

Чтобы объяснить историю происхождения пород и отделить гены аборигенных от зарубежных пород, ученые исследуют не только ДНК современных пород, но и используют ДНК, полученную из музейных образцов — краниологических коллекций, то есть коллекций черепов.

Краниологический метод был предложен швейцарским учёным Людвигом Рютимейером в 1865 году. Черепа представителей разных пород сохраняли, документировали, измеряли, высчитывали различные индексы и на их основании делали выводы о родственных связях пород. В нашей стране метод получил своё развитие в работах академика Ефима Лискуна. В конце XIX — начале XX века это был основной метод изучения происхождения пород. Хотя такие коллекции были повсеместны, до настоящего времени их дошло немного. Самая крупная коллекция находится в Австрии, в Музее естественной истории города Вены. Вторая такая масштабная коллекция и, вероятно, единственная подобная в нашей стране — в Музее животноводства имени Е.Ф. Лискуна Московской сельскохозяйственной академии имени К.А. Тимирязева.

Именно её материалы использует Наталия Зиновьева и ее коллеги из Федерального исследовательского центра животноводства имени академика Л.К. Эрнста для сравнительного анализа современных животных и представителей этой же породы, живших 70–100 лет назад. Ученые сравнивают изменения, произошедшие за этот период на уровне ДНК, с изменением признаков и свойств животных: современные молочные породы дают больше молока, а мясные породы — быстрее растут и дают больше мяса. Это позволяет лучше понять не только происхождение пород, но и выявлять гены, которые отвечают за продуктивные признаки.

Мы не знаем, как в будущем изменится климат, как изменится растительность или, например, предпочтения человека. Так как аборигенные породы наиболее приспособлены к локальным природно-климатическим условиям, то получаемое от них молоко и мясо по набору питательных веществ способно наиболее полно удовлетворять потребности человека, живущего в этой местности. Не исключено, что в будущем люди будут предпочитать локальные породы высокопродуктивным и популярным в настоящий момент импортным. Задача ученых — выявить и сохранить исторические геномные компоненты, чтобы быть готовыми к любым вызовам и сценариям будущего.

Это фотоэлемент, устройство, которое преобразует энергию фотонов в электрическую энергию.

В 1887 году великий немецкий физик Генрих Герц облучал детектор электромагнитных волн и обнаружил, что ультрафиолетовое излучение усиливает разряд. Так произошло открытие фотоэффекта — явления, при котором свет «выбивает» из разных тел электроны, заряженные частицы. Это означало, что свет может вырабатывать ток. Уже через год после открытия Герца русский физик Александр Столетов собрал первый фотоэлемент — прибор, в котором обычный видимый свет генерировал электричество.

Фотоэлементы оказались весьма практичными приборами, они и сейчас широко используются в физических и химических исследованиях, осветительных приборах, бытовой технике. А раньше были почти незаменимы и в телевидении — когда в телевизорах была электронно-лучевая трубка. Звуковое кино также появилось благодаря фотоэлементу. Это устройство считывало звуковую дорожку с киноплёнки и переводило её в электросигнал, который шёл на динамики.

Подобному тому, как фотоэлемент преобразует энергию фотонов в электрическую энергию, фотосенсибилизаторы преобразуют энергию фотонов, запуская химические процессы.

В основе зелёных растений, красной крови и синих джинсов лежит практически одна и та же молекула — это молекула класса порфиринов. Только у этой молекулы в зависимости от того, какой катион находится в её составе, будут разные свойства и разный цвет. Зелёный хлорофилл, который участвует в фотосинтезе, — это порфирин магния. Красный гем (основная составляющая гемоглобина крови) — это порфирин железа. А синий цвет наших джинсов — это синтетический краситель, являющийся производным порфирина, — фталоцианин меди.

Однако в описанных выше природных процессах (фотосинтез и перенос кислорода гемом в нашем организме) особую роль играют ансамбли молекул, связанные между собой за счёт слабых связей, которые могут собирать и разрушать весь ансамбль под воздействием внешних факторов.

Ученые подсмотрели этот механизм у природы и теперь используют его для создания так называемых молекулярных переключателей, активизируемых светом: детекторы, сенсоры, умные материалы. Примером умных материалов могут служить, например, чашки, меняющие цвет в зависимости от температуры. Налили горячий напиток — чашка поменяла цвет, напиток остыл — вернулся прежний цвет.

Использование молекулярных переключателей позволяет решать и такие важные задачи, как адресная доставка лекарств, диагностика и терапия онкологических заболеваний. При такой терапии вещество, которое называется фотосенсибилизатор, после попадания в раковую клетку облучается лазером определённой длины волны, что приводит к генерации синглетного кислорода. Это самый сильный окислитель, существующий в природе. Он фактически выжигает все те клетки, в которых находится. Это очень точная и прицельная терапия. Такие фотосенсибилизаторы уже сегодня применяются в клиниках для лечения рака. Разработка и тестирование новых, более эффективных фотосенсибилизаторов занимают десятилетия, так как речь идёт о человеческом организме, и нужно отследить все возможные последствия, провести все этапы клинических исследований. Это сложная, долгая и ответственная работа, которой занимаются исследователи, в том числе группа Института физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН под руководством Юлии Горбуновой.

Ученые используют подход, применяемый в фотодинамической диагностике и терапии рака, для разработки антибактериальных веществ. Это важная проблема, с которой уже сталкивается человечество, — появление бактерий, устойчивых к антибиотикам.

Антибактериальная фотодинамическая терапия работает по описанному выше принципу. Например, обработка поверхности фотосенсибилизатором с последующим её облучением приводит к генерации активных форм кислорода, которые и убивают находящиеся на ней бактерии. Сегодня это особенно важно для медицинских учреждений, борющихся с внутрибольничными инфекциями.

Это термостолбик, устройство для измерения интенсивности электромагнитного излучения. Как и белки-рецепторы, реагирующие на тепло, он реагирует даже на небольшие изменения температуры.

Термостолбик, как и другие электрические приборы для измерения температуры, появились благодаря открытиям начала XIX века, совершённым двумя физиками — немцем Томасом Зеебеком и французом Ханом Пельтье. Первый обнаружил, что изменения температуры на стыках разнородных проводников меняют магнитное поле, второй — что изменения тока меняют температуру на стыках проводников. На этом основана работа термопар — двух проводников из разных металлов, соединённых вместе. При изменении температуры в термопаре течёт ток, и если измерить ток, то можно узнать температуру. 

Из термопар состоит и термостолбик. У прибора есть две клеммы, к которым можно подключить гальванометр — прибор для измерения силы тока. В термопарах, на которые действует тепловое излучение, течёт ток. Он меняется вместе с изменением температуры, и гальванометр эти изменения показывает. Прибор очень чувствительный — реагирует даже на тепло человеческого дыхания.

Сейчас биофизики только учатся исследовать работу относительно простых молекулярных машин, таких как трансмембранные каналы — молекулы, регулирующие проницаемость клеточной мембраны. Это понимание закладывает основу для изучения более сложных систем — органелл и целых клеток. На основе знаний, которые накапливают ученые, прямо на наших глазах создаётся «каркас» молекулярной медицины будущего. Она придёт на смену медицине, которая во многом базируется на эмпирическом знании.

Термин «биофизика» подразумевает, что исследователи изучают биологические явления и объекты с помощью физических методов и моделей. «Молекулярная» — исследования ведутся на уровне отдельных молекул и их групп, ансамблей. Дело в том, что биофизики работают как с клетками, тканями, так и с целыми организмами. Наконец, слово «вычислительная» означает, что поставленные задачи решаются на компьютере (как сейчас говорят,  in silico, т.е. «в кремнии», имея в виду кремниевые элементы микросхем).

Мембранные белки — это ключевые системы живых организмов, которые не только отделяют содержимое клеток от внешней среды, но и обеспечивают внутри- и межклеточный обмен веществом, ионами, информацией. Сбои в работе мембранных систем приводят к возникновению многих серьёзных сердечно-сосудистых, онкологических, нейродегенеративных заболеваний.

Чтобы эффективно бороться с этими недугами, создавать новые лекарства и методы терапии, надо знать, как на молекулярном уровне устроены и работают клеточные мембраны и, в частности, мембранные белки: рецепторы, ионные каналы, ферменты и прочее. Решению этих задач посвящены научные проекты десятков научных групп, в том числе команды под руководством Романа Ефремова из Института биоорганической химии РАН.

Молекулярные, а точнее, надмолекулярные (речь идёт иногда о миллионах атомов или частиц!) системы, которые интересуют ученых, очень сложно, а подчас и невозможно изучить в экспериментах из-за их большого размера, трудностей выделения и очистки, необходимости сохранения нативной, то есть присущей живой клетке, структуры. Поэтому всё более важную роль в подобных работах играют методы компьютерного моделирования.

В рамках вычислительных экспериментов создают реалистичные модели изучаемых объектов. Например, таким объектом может быть белок в гидратированном липидном бислое, имитирующем клеточную мембрану. Ефремов с коллегами изучают его структуру и динамическое поведение, устанавливают молекулярные механизмы работы таких систем в норме и в патологических состояниях. Полученная информация необходима как с фундаментальной точки зрения — для понимания устройства этих объектов, так и с прикладной — для создания новых лекарств.

Цвета одежды на протяжении многих веков особым разнообразием не отличались. Преобладали белый и серый — цвет неокрашенных волокон. Краски были, как правило, дорогими, иногда — баснословно дорогими, как, скажем, известный римлянам пурпур. Получить дешёвые и стойкие краски удалось лишь в XIX веке — с развитием химической промышленности. Куски пигмента из склянки на фото можно было развести в связующем веществе, например, в растительном масле, и приготовить ту или иную краску. Берлинская лазурь пользовалась огромной популярностью и пережила многие краски и века.

В составе лазури — ионы гексацианоферрата, которые могут связывать ядовитый таллий или радиоактивные изотопы цезия. Препараты на основе берлинской лазури используют при лечении отравлений, а аналогичные по составу сорбенты после аварии на Чернобыльской АЭС помогли очистить часть заражённых земель. Сегодня наночастицы гексацианоферратов изучают уже как потенциальную основу для биомедицинских устройств нового поколения, биосенсоров для иммунологических и генетических исследований.

Заложены основы диагностики, для которой не нужно делать анализ крови. При такой диагностике используются биосенсоры, созданные на основе берлинской лазури. Они выявляют глюкозу в поту, что позволяет судить о её содержании в крови. Эти сенсоры способны улучшить качество жизни сотен миллионов людей, страдающих сахарным диабетом, — им больше не придётся прокалывать пальцы несколько раз в день.

Биосенсоры отличаются от других сенсоров тем, что рецептор, который распознаёт химическое вещество, имеет биологическую природу, в основном это ферменты, хотя могут быть и другие виды биомолекул. Их особенность — специфическое распознавание, то есть фермент будет окислять только одно вещество, например свободную глюкозу, и больше ни с чем не реагировать.

Аркадий Карякин из МГУ имени М.В. Ломоносова вместе с коллегами научился использовать биосенсоры для неинвазивной (без нарушения целостности кожных покровов) медицинской диагностики на глюкозу и лактат.

Анализ на лактат — это параметр, который часто используется в спортивной медицине для контроля тренировок. Стандартные тренировочные методики не учитывают как индивидуальных особенностей человека, так и того факта, что каждый день состояние нашего организма чуть-чуть, но меняется. Если нагрузка недостаточна, тренировка не даёт развития, перетренироваться ещё хуже. Неинвазивный способ отслеживания лактата вместо стандартного анализа крови из пальца сильно облегчает и удешевляет процедуру, а значит, делает контроль тренировок доступным для более широкой аудитории, а не только для профессиональных спортсменов.

Неинвазивный анализ на глюкозу позволяет значительно облегчить жизнь людей с сахарным диабетом. Осложнения при сахарном диабете связаны с повышенным уровнем глюкозы в крови, поэтому человек должен постоянно контролировать её уровень и держать его в определённом диапазоне. Сейчас для этого используется анализ крови из пальца, то есть пальцы протыкаются иглами каждый день, а то и несколько раз в день.

Есть другой путь — химический анализ жидкостей, которые выводятся из человеческого организма. Ни одна жидкость, которую человек выделяет, напрямую не связана с кровью, но можно найти корреляцию между степенью их изменения. Проще всего проанализировать слюну, но она, к сожалению, никак с кровью не коррелирует. Моча тоже не коррелирует, так как она — продукт фильтрации почек. Что ещё остается? Слеза и пот. У слёз корреляция есть, но их трудно собирать.

Карякин давно занимается потом и обнаружил, что он подходит для такого типа диагностики. Как это работает? Делается анализ до стресса и после стресса — и смотрят, насколько изменилась концентрация глюкозы в крови и насколько в поте. Если корреляция есть, то можно взять полученные результаты за реперные точки и откалибровать шкалу для каждого человека, так как соотношение глюкозы в крови и поте индивидуально, и дальше предсказывать изменение концентрации глюкозы в крови по концентрации глюкозы в поте.

Но есть несколько проблем. Например, биосенсор должен быть очень чувствительным, так как концентрация глюкозы в поте примерно в 30–40 раз ниже, чем в крови. Ученым удалось сделать самые чувствительные на текущий момент сенсоры.

Другая проблема связана с оборудованием для анализов. Эти биосенсоры не боятся пептидов, которые есть в поте. Если взять любой клинический анализатор, в нём находятся электроды на основе платины, и если туда вместо крови добавить пот, то анализатор выходит из строя. То есть анализ можно сделать, но один раз, это неэкономично.

Сейчас ученые создают нанозимы, каталитические наночастицы, имитирующие действие ферментов. Ферменты используют в качестве меток в ДНК-зондах и иммуноферментном анализе, то есть в клинической диагностике. Замена ферментов на нанозимы должна позволить значительно снизить стоимость диагностики.

Это плазменная камера — часть установки, которую собственноручно собрал знаменитый физик Пётр Капица. Она стала одним из первых устройств для получения и изучения плазмы, прообразом термоядерных реакторов.

Капица создал ее в те годы, когда он поссорился с Лаврентием Берией, вышел из атомного проекта и занялся собственными исследованиями в «Избе физических проблем», то есть на своей даче в Подмосковье. Шуточное название лаборатории на даче перекликалось с Институтом физических проблем, который Пётр Капица возглавлял до 1946 года. И пока в «большом» ИФП работали над советским атомным проектом, в ИФП «избе» учёный исследовал высокотемпературную плазму.

У себя в лаборатории Капица создал прибор, который назвал ниготроном. Корень
«трон-» обозначал генератор СВЧ-излучения, что роднило детище физика с магнетроном, главной деталью современных микроволновок. А первые два слога «ниго-» соответствовали Николиной Горе, стародачному району неподалёку от Одинцово. Установка могла выдать мощность в 175 киловатт, в двести раз больше микроволновой печи. Впрочем, работать с ней на полной мощности не позволяли ни электропроводка, ни перегрев того объекта, на который направляли излучение.

Для опытов с СВЧ-излучением Капица сделал специальную камеру, обвитую медной трубкой с циркулирующей по трубке водой. Когда учёный заполнил камеру разреженным газом и включил ниготрон, в камере вспыхнул плазменный шнур. Идея СВЧ-нагрева плазмы легла в основу исследований в области управляемой термоядерной реакции.

Когда Петру Капице вручили Нобелевскую премию за научные работы по сверхнизким температурам, он нарушил традицию и прочёл лекцию не о том, за что получил награду, а как раз о термоядерном синтезе и высокотемпературной плазме.

Освоение управляемого термоядерного синтеза — ключ к энергетической безопасности человечества. В наши дни параметры плазмы, полученные в установках магнитного удержания, уже приблизились к порогу зажигания управляемой термоядерной реакции. Конечная цель современных исследований термоядерных процессов — добиться того, чтобы энергия, вырабатываемая реактором, превышала затраты энергии, потраченные на нагрев и удержание плазмы.

Первая плазма на международном экспериментальном реакторе ИТЭР ожидается уже в 2025 году. Существующие физические модели позволяют описать процессы, происходящие в плазме современных установок. Но предсказательная сила этих моделей ограничена. Физики шутят, что в физике плазмы можно всё объяснить, но ничего нельзя предсказать. Экспериментальные исследования физики горящей плазмы термоядерного реактора — путь к безопасному и неограниченному источнику энергии.

Плазму удерживают магнитной ловушкой — токамаком. Изначально эти ловушки были в виде «бублика», но в конце 80-х — начале 90-х годов появилась идея, что если бублик стянуть в шарик и оставить внутри лишь небольшое отверстие, то плазма станет значительно более устойчивой. Так предложили создать сферический токамак. Идею протестировали на экспериментальной установке в Калемской лаборатории в Великобритании. Установка заработала и принесла неожиданные результаты…

Дело в том, что одна из самых дорогих систем в конструкции токамака — обмотки тороидального поля. Величина магнитного поля должна быть достаточно большой для устойчивого удержания плазмы. Эффективность использования магнитного поля можно оценить количественно по отношению давления плазмы к давлению магнитного поля. Если у обычных токамаков эффективность составляет от десятых долей процента до нескольких процентов, то у сферического токамака за счёт топологии магнитного поля эффективность удержания магнитного поля достигает 40%. Удержания плазмы в сферических токамаках можно достичь при существенно меньшей, чем в обычных токамаках, магнитной величине: 0,5 тесла вместо 2 тесла.

В результате успех калемского эксперимента привёл к тому, что появились сразу три установки подобного типа: MAST (Mega Ampere Spherical Tokamak) в Оксфордшире, Великобритания, National Spherical Torus Experiment в Принстоне, США и «Глобус-М» в России.

Ещё одна задача, которую успешно решают сферические токамаки — теплоизоляция плазмы. Для того чтобы запустилась термоядерная реакция, нужно нагреть ионы плазмы до температуры порядка ста миллионов градусов. Но чем больше мы нагреваем плазму, тем турбулентнее она становится, что приводит к увеличению теплопотерь, и нагреть плазму становится всё сложнее и сложнее. Эффективность термоизоляции плазмы в сферическом токамаке также оказывается выше, чем в обычном токамаке-бублике. Совокупность этих особенностей делает сферический токамак выгодным кандидатом для создания компактной термоядерной установки, которая может быть использована для управления реакциями ядерного синтеза. Такой подход позволит сделать безопасную гибридную ядерную электростанцию.

Глеб Курскиев с коллегами из Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе РАН создает экспериментальную модель описания термоизоляции плазмы в сферических токамаках в условиях высокого магнитного поля. Ученые хотят определить, что происходит с плазмой в сферическом токамаке при высоких значениях магнитного поля. Полученный результат позволит обосновать и спроектировать управляемый источник термоядерных нейтронов для гибридной и термоядерной энергетики.