Каждый из нас хотя бы раз задумывался, почему кровь красная, небо голубое, а на закате солнце приобретает багровый оттенок. Ответы на эти «детские» вопросы лежат в основе биофотоники — междисциплинарного направления науки, объединяющего биологию, физику и инженерные технологии.
Вместе с экспертами Сколковского института науки и технологий (Сколтех) заглянули в лабораторию биофотоники, чтобы понять, как фотоны помогают бороться с раком, выращивать водоросли для космических полетов и буквально видеть болезни сквозь кожу.
Физика вокруг нас
Внутри человеческого организма работают те же механизмы рассеяния, которые объясняют цвет неба. Сильнее всего рассеивается свет с самой короткой длиной волны — синий. Эту теорию разработал физик Рэлей. А закаты и рассветы выглядят красными, потому что солнечному свету приходится проходить через более толстый слой атмосферы. К тому моменту, когда лучи достигают наблюдателя, все синие фотоны уже рассеялись — доходят только красные. Именно поэтому у светофора красный сигнал самый важный: дело не только в психологии (цвет опасности), но и в физике — красные фотоны проходят дальше всех.
Цвет крови тоже имеет физическое объяснение. В гемоглобине содержится молекула гема с ионом железа в центре. Эта конструкция активно поглощает синий и зеленый свет, но почти не трогает красный. Отраженные красные фотоны и создают знакомый нам цвет крови.
Дмитрий Горин, доктор химических наук, руководитель лаборатории биофотоники Сколтеха, проводит простой эксперимент. Он просвечивает палец обычным фонариком: красный свет проходит сквозь него — глаз видит свечение, значит, фотоны проникли на достаточную глубину. Но просветить насквозь ладонь фонарик уже не может: есть такая толщина ткани, которую фотоны не могут преодолеть.
Вот тут и приходят на помощь различные приборы. Например, знакомый всем со времен пандемии пульсоксиметр. Фотон входит в ткань, многократно рассеивается и в итоге возвращается обратно в приемник. Оказывается, фотоны умеют не только поглощаться, но и менять направление.
Гиперспектральная камера против гемангиомы
Теория — это хорошо, но главная цель биофотоники — практическая помощь людям. Одна из многообещающих разработок ученых Сколтеха уже дошла до стадии коммерциализации. Научный сотрудник лаборатории Сергей Перков создал прибор, похожий на обычный фотоаппарат, — это гиперспектральная камера.
Задача устройства — объективная и безболезненная диагностика кожных заболеваний. История началась с исследования младенческой гемангиомы — красных сосудистых пятен, которые часто появляются у новорожденных. Традиционный подход, когда врач смотрит на пятно и оценивает изменения на глаз, ненадежен. Камера работает иначе. Она последовательно включает подсветку на разных длинах волн — от синей до инфракрасной. При каждой вспышке делает снимок. В итоге получается не одна картинка, а целый гиперкуб. Для каждой точки кожи из этого гиперкуба можно извлечь индивидуальный спектр отражения. В коже есть три основных красителя-хромофора: оксигемоглобин, дезоксигемоглобин и меланин. Гемангиома дает нестандартное сочетание этих компонентов.
Вся процедура занимает минуту. Врач нажимает на кнопку, камера делает серию снимков, компьютер обрабатывает данные и выдает четкую картину: как изменилось пятно со времени прошлого визита. Вместо субъективных оценок — объективные спектральные маркеры.
Биореактор для космоса
Биофотоника нужна не только в медицине, но и в биологии, а в перспективе — и в космонавтике.
Юлияна Цветинович, старший преподаватель Центра фотоники и фотонных технологий Сколтеха, изучает диатомовые водоросли. Они существуют на планете около 180 млн лет. Их уникальность в том, что они строят панцирь из диоксида кремния — он как песок или стекло. Падая на него, свет не просто проходит сквозь клетку, а перераспределяется, фокусируется, интерферирует. Хлоропласты внутри клетки мигрируют в те места, где интенсивность света выше, чтобы фотосинтез был эффективнее. Можно сказать, что диатомея — это настоящая умная оптическая система.
Старший научный сотрудник Сергей Герман создал специальный фотобиореактор для выращивания таких водорослей. Это устройство, в котором можно менять условия содержания и управлять их ростом. Из полученной биомассы можно извлекать полезные продукты: питательные вещества, органические соединения.
Но самая захватывающая перспектива — космическая. Ученые мечтают, что такие реакторы когда-нибудь отправятся на орбиту. Внутри космической станции водоросли будут выполнять работу системы жизнеобеспечения. Они будут поглощать углекислый газ и превращать его обратно в кислород. Кроме того, некоторые виды водорослей можно есть, а еще из их панцирей потенциально можно получать строительный материал. На Земле у биореактора тоже много назначений: борьба с микропластиком, получение органических продуктов.
МРТ-контраст за 5 минут
Одно из самых впечатляющих направлений — это синтез наночастиц. Екатерина Моисеева, выпускница химфака МГУ, работает с автоматическим химическим реактором. Этот прибор специально сделан для наноматериалов. Раньше такие вещества смешивал человек. Чуть больше добавил одного, чуть меньше — другого, и частицы получаются разного размера. А для медицины важна стабильность. Реактор смешивает реагенты равномерно и через пару минут готово контрастное вещество для МРТ. Из чего оно сделано? Из наночастиц оксида железа. Это то же железо, которое есть в нашем организме, но в виде крошечных шариков.
Ученые из Сколтеха вместе с коллегами из Института Блохина проверили, как эти частицы работают на животных. Оказалось, что железные наночастицы создают на МРТ контраст ничуть не хуже, чем дорогие коммерческие препараты на основе редкого металла гадолиния. А значит, можно сделать диагностику дешевле.
Фероптоз: как ионы железа убивают рак
Наночастицы могут не только показывать опухоль, но и уничтожать ее. Дмитрий Цюрко, аспирант лаборатории, изучает процесс фоторастворения магнитных наночастиц. Фероптоз — гибель клеток, вызванная ионами железа, — был открыт еще в 2011 году. Сейчас ученые исследуют, как высвобождать ионы железа из наночастиц. При реакции Фентона высвобожденные ионы железа реагируют с перекисью водорода, которая уже есть внутри раковых клеток. Образуются активные формы кислорода, которые уничтожают опухоль. То есть, доставив наночастицы оксида железа в нужную зону и облучив их светом (или подобрав магнитные условия), можно запустить точечное самоуничтожение раковой клетки, не повреждая здоровые ткани.
Этот материал подготовлен в рамках «ГигаНауки» — совместного проекта Сбера и РБК о ключевых научных открытиях и технологических вызовах современности. Проект объединяет видеопрограммы и тексты о медицине, ИИ, биотехнологиях и других направлениях будущего. Важная часть «ГигаНауки» — интеграция нейросети ГигаЧат, которая помогает простым языком объяснять сложные научные темы.
Реклама, ПАО «Сбербанк», 18+ erid: 2SDnjcUPTQn
➤ Подписывайтесь на телеграм-канал «РБК Трендов» — будьте в курсе последних тенденций в науке, бизнесе, обществе и технологиях.