«Держим яйцеклетку световой ловушкой и режем лазером». Как работают технологии, за которые дали Нобеля по физике

Полыгаева: Павел Альбертович, вам слово.

Лобков: Я сначала очень коротко расскажу всё-таки, что это такое.

Во-первых, самые общие и приятные слова: нобелевскую премию дали хоть и не русским, но за две вещи, связанные с очень русскими фундаментальными открытиями. Первое было сделано Петром Лебедевым в 1899 году ― это давление света. И, конечно, самое главное ― это Басов и Прохоров, это первый лазер, точнее, мазер, это вообще Нобелевская премия 1964 года.

И вот Нобель-2018 напрямую пришел из этих открытий. Первый лауреат Артур Эшкин еще в 80-е сумел превратить лазер не только в орудие, как мы знаем, для резки и сварки, но и для тончайших операций с микрочастицами и даже маленькими молекулами. Он создал лазерные аппараты, которые позволяли перемещать бактерии, ― наводится луч и сдвигается вместе с объектом, ― а также проникать лучом внутрь белковых молекул.

В общем, это самые маленькие пинцеты или щипцы, которые существуют в мире. Причем сам аппарат, который сочетает линзы, зеркала и прочее, когда-то занимал целую комнату, сейчас он чуть больше ноутбука. Но что удается сделать при помощи этих, казалось бы, игрушек? Оптическими пинцетами, которые были изобретены Эшкином, можно сортировать клетки, перемещать внутри клеток их органеллы, клетки эти резать. В общем, это такая нанохирургия.

Что касается другого лауреата, Донна Стрикленд, кстати, третья в истории женщина-лауреат Нобелевской премии по физике, придумала лазеры со сверхкороткими пиками излучения. В чем тут суть? Если используется лазерный скальпель или любой лазерный медицинский прибор, то ткани нагреваются сильно, они повреждаются. А тут событие: если раньше была фемтофизика, 10 в минус пятнадцатой степени секунды происходит событие, то теперь речь идет об аттофизике ― это 10 в минус восемнадцатой. А что это просто время перехода, перескока электрона с одной орбиты на другую, то есть фактически внутриатомное событие только происходит с такой скоростью.

И вот если мы теперь соединим эти два достижения и представим себя в прекрасной России…

Полыгаева: Будущего.

Лобков: Будущего, да. Это грозит вообще заменой химического синтеза просто атомным конструированием, когда при помощи лазеров молекулы будут собираться при помощи оптических ловушек. Два луча перемещаются, два пинцетика, при помощи таких ловушек один белок прикрепляется к другому. Молекулы одного белка плывут, их тоже двигают. Получается самая маленькая мыщца на свете, одна молекула актина, а вокруг неё будут молекулы миозина. Всё это ― нанометры.

Полыгаева: Дмитрий, всё так? Всё правильно?

Ситников: Да, всё абсолютно правильно. Мы в своей практике применяем всё-таки не аттосекундные импульсы, а фемтосекундные импульсы. Современные фемтосекундные лазеры стали доступны, компактны, то есть это размер системного блока. Они просты в управлении. Мы применяем, как вы заметили, обе разработки в своих исследованиях, то есть и оптический пинцет, да, и…

Лобков: То есть и ловушки, и оптический пинцет, и вот это вот сверхбыстрое лезвие?

Ситников: Фемтосекундные импульсы. Да, совершенно верно.

Лобков: А для чего? Вот для чего это можно применить в нашей обыденной жизни?

Ситников: Если говорить про эти технологии по отдельности, то применений у оптического пинцета очень много. Вы, собственно говоря, их перечислили. Это не только инструмент для манипуляции, это еще и очень точный измерительный инструмент. Вы можете с помощью него, например, проводить измерения силы, например, тягловой силы белков в молекуле.

Лобков: Степень прикрепления рецептора к определенному веществу, что важно для того, чтобы понять, разбегутся они или вещество будет действовать. Правильно я понял?

Ситников: Например. Либо вы можете исследовать моторные функции этих белков, работают ли они в паре или это белки-одиночки.

Лобков: Сейчас у нас на экранах бластоциста человека, это где-то сутки инкубации, да, после экстракорпорального оплодотворения?

Ситников: Там четыре бластомера.

Лобков: По-моему, то ли восемь… Восемь, по-моему, да.

Ситников: Это либо первый, либо второй день.

Лобков: Первый или второй день. Это вот человек, которому один-два дня, эмбрион. Что вы с ним делаете при помощи этих лазеров?

Ситников: Собственно говоря, фемтосекундный… Наша разработка отличается тем, что она совмещает в себе и оптический пинцет, и фемтосекундный скальпель. С помощью скальпеля мы делаем микрохирургическую операцию, мы надрезаем защитную оболочку у эмбриона, делаем это очень прецизионно, очень точно и очень безопасно для самого эмбриона. С помощью оптического пинцета мы можем доставать оттуда, например, полярное тельце.

Лобков: Генетический материал.

Ситников: Да, генетический материал, и отдавать его на генетическую диагностику.

Лобков: Чтобы понять, не родится ли ребенок с патологиями.

Ситников: Да, какие-то патологии и нарушения.

Лобков: И если они есть, то этот эмбрион не подсаживается.

Ситников: Да, безусловно.

Лобков: То есть такая преселекция. А вот этот эмбрион ― раньше его обычно держала такая пипетка манипулятора.

Ситников: Да.

Лобков: Здесь он просто висит.

Ситников: Здесь мы говорим о полностью бесконтактных технологиях. У нас нет манипулятора в виде присоски или в виде иглы, мы захватываем тельце оптическим пинцетом, это бесконтактная технология, и режем опять-таки без каких-то микрохирургических игл, опять-таки бесконтактно.

Лобков: То есть фактически продукт первой Нобелевской премии позволяет подвешивать силой света, да?

Ситников: Да, силой света удерживать и перемещать объект. Вторая технология позволяет нам создавать лазерные импульсы фемтосекундной длительности и достаточной мощности, чтобы разрезать эту оболочку.

Полыгаева: Как вам кажется, это действительно исследование, достойное Нобелевской премии?

Ситников: Безусловно. Мне очень сложно представить вообще современную науку без этих исследований. Это колоссальный вклад в совершенно различные отрасли. Если мы говорим о фемтосекундных импульсах, то это от медицины, всем вам знакомой офтальмологии сейчас до промышленности ― это лазерная резка, модификация поверхностей.

Полыгаева: А офтальмология ― это лазерная коррекция зрения?

Ситников: Да-да-да. Это лазерная хирургия с использованием фемтосекундных импульсов.

Лобков: Это вот те самые сверхкороткие импульсы, да?

Ситников: Да, сейчас используются именно они.

Лобков: Потому что раньше это была довольно травматичная всё-таки процедура, а сейчас практически нет, да?

Ситников: Да.

Лобков: Правильно ли я понимаю, что вот пока то, за что получила Донна Стрикленд, вот эти крайне короткие импульсы ― им еще даже пока применения нет, то есть еще под них не созрела материальная база?

Ситников: Под аттосекундные…

Лобков: Вот это 10 в минус восемнадцатой степени.

Ситников: Да, восемнадцатой, вы имеете в виду аттосекундные импульсы. Да, вы совершенно правы. Зато эта технология усиления чирпированных импульсов очень широко применяется в фемтосекундных.

Лобков: То есть всё равно всё это уже в практике.

Ситников: Это уже применяется, конечно.

Лобков: А вот я такой вопрос совершенно дилетантский задам. В эпоху моего пионерского детства, когда были звездолеты, «Космическая одиссея» и всё остальное, были вот эти огромные…

Полыгаева: Сейчас про «Звездные войны» вспоминаете?

Лобков: Всё вот это, весь это стафф.

Полыгаева: Хорошо.

Лобков: Да, вот эти огромные паруса, которые надуваются…

Ситников: Космическим ветром?

Лобков: Не космическим ветром, а надуваются некими фотонами высокоэнергетическими, и вот корабль летит.

Ситников: Так.

Лобков: В принципе лазерная техника может к этому подойти или нет? Вот к реализации такого проекта, вот этих перелетов при помощи вот этого фотонного ветра, о котором так много писали фантасты в семидесятые годы, когда лазер только-только еще изобрели?

Ситников: Вы знаете, лазеры используются сейчас в технологиях двигателей космических кораблей, но немножко другим образом. Вы фокусируете лазерное излучение на мишень, вызывая тем самым абляцию, или испарение частиц этой самой мишени. Соответственно, частицы улетают в одну сторону, но при этом импульс идет в другую сторону.

Лобков: Реактивный импульс.

Ситников: Вы можете там самым толкать.

Лобков: То есть можно оттолкнуться от астероида или от какой-то планеты.

Ситников: Нет, зачем? У вас лазерный луч, сам лазер и сама эта мишень испаряемая находятся на космическом корабле. Просто-напросто вместо реактивной тяги на каких-то химических элементах у вас идет тяга именно за счет процессов абляции.

Полыгаева: Далеко мы зашли, прямо до космических кораблей. Спасибо вам большое.