Наука в Сибири
N 12 (2547)
Март 2006 г.

ЛАЗЕР НАЦЕЛЕН НА ДНК

Область терагерцевого излучения — одно из приоритетных направлений в мировой науке. Границы применения излучения ощутимо расширяются. Уже год существует программа Президиума РАН «Электромагнитные волны терагерцевого диапазона», возглавляемая ак. Геннадием Кулипановым. И год назад четыре института Сибирского отделения — Ядерной физики, Химической кинетики и горения, Цитологии и генетики, КТИ вычислительной техники подписали договор о сотрудничестве. Получен ряд результатов, которые предполагают оптимистичные перспективы по воздействию излучения на биологические макромолекулы. Подробности на эту тему в беседе с заместителем директора Института химической кинетики и горения СО РАН профессором Александром ПЕТРОВЫМ и заведующим сектором Института цитологии и генетики СО РАН кандидатом биологических наук Сергеем ПЕЛЬТЕКОМ.

Л. Юдина, «НВС»

— Александр Константинович, как возникла идея направить луч нового лазера на биологические объекты?

Д.х.н. А. Петров.

А. Петров: Шла, образно говоря, разведка боем. Получив излучение, прежде всего стали вести широкую просветительскую работу — два года проводили терагерцевый семинар, набирались идей. В зале ИХКГ собралось до ста человек из разных институтов. Осмысливая некоторые из наиболее разумных и любопытных предложений, воплощали их в экспериментах. Один из первых результатов — пробой в воздухе и в аргоне. Затем удалось получить абляцию (возгонка по-русски). Был взят параллелепипед из оргстекла, в него направили сфокусированный луч.

— Но если возникает высокая температура, полимер может загореться?

А. Петров: Поэтому, чтобы пламени не было, мы делали это в атмосфере аргона, который не поддерживает горения. За три минуты образовался сквозной туннель длиной шесть сантиметров.

— Чего же здесь невероятного?

А. Петров: Да подобного на излучении с длиной волны 120 мкм никто и никогда не делал! Это и есть абляция. Термин пришел из гляциологии (абляция ледников) и означает унос вещества с поверхности твердого тела под действием излучения. Эффектом абляции сегодня интересуются многие, даже космонавты. Дело в том, что когда в космосе летают спутники и станции, из них солнечным светом и электронами вышибается материал обшивки, и они теряют вес. Терагерцевое излучение на сегодня — самое мягкое из всех лазерных излучений. Появилась идея воздействовать им на биологические макромолекулы и попытаться получить неразрушающую абляцию.

— Простите, а для чего это надо?

А. Петров: Существует известный метод масс-спектрометрии, которым широко пользуются и физики, и химики. По масс-спектру часто можно охарактеризовать любую неизвестную молекулу и определить ее молекулярный вес. Но для этого необходимо, чтобы вещество было в газообразном состоянии.

Лазер на свободных электронах.

Препятствием к использованию масс-спектрометрии в биологии служили даже не столько громадный молекулярный вес биомолекул, сколько невозможность перевести их в газовую фазу. Эта трудность была преодолена с появлением методики MALDI, в которой на матрицу с белком воздействуют мощным УФ-лазерным импульсом длительностью 10^-9 — 10^-6 С. При этом биомолекулы испаряются из матрицы и распадаются на заряженные фрагменты, которые попадают в масс-спектрометр высокого разрешения. Анализируя эти осколочные ионы, можно мысленно «собрать» исходную молекулу.

Поскольку энергия кванта излучения нашего лазера составляет всего 0,02 эВ, то деструкции биомолекул при их абляции с подложки не должно быть, и мы могли бы их исследовать в нативном состоянии или наносить их тонким слоем на нужное место.

С чего начать? Обратился к знакомым биологами, и те, чтобы отвязаться, дали баночку с ДНК. Пушистые такие ниточки. Сунул их под пресс и сделал таблетку, которую уже можно облучать. Но чем анализировать? А в лаборатории есть диффузионный спектрометр аэрозолей (ДСА), который определяет размеры части от двух до 20 нм.

— И какой же «выход» вы при этом ожидали?

А. Петров: Идея заключалась в следующем. Если при абляции происходит деструкция ДНК, будут видны отдельные части молекулы. Если деструкция не случилась, вылетят целые молекулы. Какого размера — мы примерно представляли (около 100 нм). И вот, в первом же эксперименте мы обнаружили всего один пик размером 70 нанометров. А это и есть диффузионный размер молекулы ДНК.

— И никаких осколков?

А. Петров: В этом эксперименте деструкции не было! Достижение! Хороший старт.

Тут же пошел в Институт цитологии и генетики, к академику Владимиру Константиновичу Шумному, чтобы обсудить дальнейшее развитие идеи. Организовали семинар прямо у него в кабинете. Шумели, спорили, рисовали открывающиеся перспективы. Биологи проявляли ко всем деталям метода огромный интерес. И вот уже второй год тесно сотрудничаем с Институтом цитологии и генетики, с группой Сергея Евгеньевича Пельтека — с ним самим встречаемся буквально по два-три раза в неделю.

Так выглядит исследовательская станция.

Прежде всего мы попросили биологов усложнить эксперимент — дать нам смесь разных ДНК, заведомо различных размеров. Они принесли ДНК фага и ДНК плазмиды. Мы растворили их в воде, капнули на пористую подложку из силуфола и высушили ее. В результате абляции ДСА дал два четких пика 70 нм и 7 нм, соответственно. Это уже стало интересно. Еще усложнили задачу: «разрезали» ферментом ДНК фага на несколько частей, проверили электрофорезом и аблировали эту смесь. ДСА показал несколько пиков разных размеров. Тогда мы поняли, что найден метод перевода макромолекул в аэрозольную фазу без их деструкции. Но может быть имеет место денатурация? Тогда взяли фермент — пероксидазу хрена, чтобы проверить его активность после абляции. ДСА показал всего один пик — 100 нм. Аэрозоль был собран на фильтр, и биологи провели тестовую гистохимическую окраску: нативный фермент должен был окраситься, а денатурированный — нет. Ночью  С. Пельтек позвонил — окрасился!

К.б.н. С. Пельтек.

С. Пельтек: Иными словами, мы получили вполне жизнеспособные молекулы.

Хочу подчеркнуть — ни один из существующих на сегодня методов не позволяет десорбировать биологические молекулы с сохранением их биологической активности. Только терагерцевое излучение.

Будем повторять и усложнять эксперименты. Занялись проблемами, которые прямо выходят на протеомику. Есть идеи, как это можно сделать с использованием все того же аэозольного спектрометра — только смастерим отводку, чтобы собирать молекулы на фильтр.

— Можно сделать вывод, что замыслов у вас — «громадье»?

С. Пельтек: Мы имеем сейчас прекрасный, созданный физиками ИЯФ, источник излучения на объекты наших исследований. Ведь наука, по большому счету, движется даже не от идеи к идее, а от одного развитого метода к другому. И когда появляется новый инструмент анализа, то обычно поднимают целый пласт неизведанного.

Я вообще-то не люблю предвосхищать события, но, действительно, появились возможности выйти на новый уровень исследований. Скажем, оперировать в протеомном анализе целыми молекулами.

Может быть, удастся аблировать молекулы с поверхности клеток — проникнуть в механизм взаимодействия между белками. Известно, что белки взаимодействуют, но сама энергия взаимодействия неизвестна. А мы сможем ее измерить.

Коллектив единомышленников.

А. Петров: У нас отличная команда из разных специалистов, и это уже служит залогом того, что удастся сделать нечто приличное. В первую очередь, получить фундаментальные результаты.

С. Пельтек: Только что закончилось совместное с англичанами совещание по использованию терагерцевого излучения. Были на нем и физики, и химики, но особое внимание привлекли сообщения биологов. Сейчас ведем переписку с коллегами. Есть хорошие шансы организовать совместные работы. Они даже высказали желание строить в Центре фотохимических исследований биологическую станцию.

А. Петров: Выходы могут быть на фармацевтику, экспресс-диагностику и ДНК-чипы.

— И для этого, хочется добавить, есть все составляющие?

А. Петров: Отнюдь. Все, о чем мы здесь рассказали, и перспективы дальнейших исследований были в виде междисциплинарного интеграционного проекта СО РАН представлены на конкурсе. Проект был хладнокровно «зарезан». Думаю, это патологическая зависть. «Эксперт» своего достиг. Мы остались без средств, на которые рассчитывали. Биопрепараты и оборудование нынче очень дороги. Нет пророка в своем Отечестве. Придется по-прежнему работать на энтузиазме.

— Хочется верить, что все-таки удастся одолеть нерешенные на сегодня вопросы. Удачи вам!

Фото В. Новикова и Н. Щеглова

стр. 3