Поиск - новости науки и техники

И вглубь, и ввысь. Методы масс-спектрометрии позволяют увидеть суть.

В одном из недавних номеров Journal of Mass Spectrometry опубликована статья ученых из Сколтеха, МФТИ, Института истории материальной культуры РАН, Института энергетических проблем химической физики им. В.Л.Тальрозе РАН и Института биохимической физики им. Н.М.Эмануэля РАН об исследовании древнего битума, сохранившегося в античной вазе. Эта новость тут же привлекла внимание СМИ, изображения древней амфоры украсили их страницы. Однако когда мы обратились с просьбой об интервью к руководителю работы и научному руководителю участвующих в проекте лабораторий МФТИ и Института энергетических проблем химической физики РАН, а также лаборатории масс-спектрометрии Космического центра Сколтеха профессору Евгению Николаеву, он не скрывал удивления: почему столько внимания лишь одной теме? И действительно, разговор корреспондента  Поиска” с доктором физико-математических наук, профессором, преподавателем кафедры молекулярной медицины МФТИ Е.Николаевым вышел за ее рамки. И все потому, что под руководством Евгения Николаевича сегодня выполняется целый ряд интереснейших исследований в области масс-спектрометрии. Беседа с ученым началась с вопроса о том, как ему удается вести такую масштабную научную деятельность, руководить разными научными коллективами, одновременно координировать исследования нескольких лабораторий, да еще готовить новые кадры (большинство его молодых сотрудников – студенты или аспиранты МФТИ). 
– На первый взгляд, и правда, получается довольно много занятий, – говорит Евгений Николаевич. – Еще вы не упомянули, что 10 лет назад (в том числе и по моей инициативе) в МФТИ, на факультете биологической и медицинской физики была организована кафедра молекулярной медицины, где я читаю лекции по масс-спектрометрии. Сегодня я руковожу лабораториями в нескольких институтах РАН, Сколтехе, и благодаря такой кооперации нам удается удержать “на плаву” передовые российские масс-спектрометрические технологии, к которым относится масс-спектрометрия ионного циклотронного резонанса. 
– О каких технологиях идет речь? 
– О своей работе и своем любимом научном направлении я могу рассказывать часами, но давайте все же по порядку. Первый в СССР масс-спектрометр (и третий в мире) был создан в 1924 году Николаем Семеновым – выдающимся ученым, единственным советским и российским нобелевским лауреатом по химии, основателем Института химической физики РАН, теперь носящего его имя. С тех пор масс-спектрометрия – одно из наших стержневых направлений в химической физике. Очень долгое время в СССР его возглавлял Виктор Львович Тальрозе, который был заместителем директора в институте Семенова, а затем руководил Институтом энергетических проблем химической физики. Более 20 лет он был деканом факультета молекулярной и химической физики МФТИ. И сегодня практически все сотрудники в моей команде – выпускники этого факультета. Я работаю в области масс-спектрометрии с 1968 года, когда пришел в лабораторию Тальрозе. В нашей науке много методов, можно назвать с десяток. Но мы занимаемся самым топовым, который имеет наиболее высокую разрешающую способность и точность измерений.
– На что главным образом направлена масс-спектрометрия?
– На измерение масс молекул и атомов. Зная их, мы можем определять состав молекулы, получать информацию о ее структуре. Сегодня мы ищем разнообразные интересные объекты для того, чтобы реализовать возможности, которые имеются у удивительных приборов, созданных при нашем участии.
– Давайте об этом поговорим подробнее.
– Масс-спектрометрия ионного циклотронного резонанса была придумана в 1974 году в Канаде Аланом Маршаллом и Мелвином Комисаровым. Мы занялись этим методом в 1981 году. Сначала изучали его в теории, а затем начали генерировать собственные идеи и стали одной из ведущих лабораторий в мире, где он используется. Так, мы создали новый метод, который запатентовали и внедрили совместно с фирмой Bruker. Речь идет о новом типе Ловушки Пеннинга – устройстве, которое удерживает ионы благодаря воздействию сильных магнитных и электрических полей. В нашей лаборатории есть сверхпроводящий соленоид, который создает сильное магнитное поле. Мы измеряем массы ионов по частотам вращения ионов в этом сильном магнитном поле. Чем меньше масса, тем выше частота, и наоборот. А частота – наиболее точно измеряемая физическая величина. Таким образом, мы имеем в руках высокоточный метод измерения масс атомов и молекул. Но чтобы эти массы измерить, мы должны перевести атомы и молекулы в ионы. То есть каким-то способом прикрепить к ним заряд – добавить протон, добавить или убрать электрон. Придуманная нами новая ионная ловушка и метод измерения частот в ней оказались настолько хороши, что фирма Bruker стала выпускать приборы, оснащенные нашей ловушкой, благодаря которой удалось в 10 раз поднять разрешающую способность прибора и увеличить точность измерения масс. Кстати, такой ловушкой снабдили и самый мощный масс-спектрометр в мире с магнитом в 21 тесла, который создан в американской Национальной лаборатории сильных магнитных полей в Таллахасси. Мы располагаем приборами с более скромными магнитами в 7 тесла, но и на них мы получаем масс-спектры, близкие по основным характеристикам к тем, которые удается получить на магнитах в 21 тесла. С их помощью можно проводить исследования нефти, смесей сложных органических соединений, а также биологических веществ, например белков человеческого организма.
– Почему вы беретесь за столь широкий спектр объектов для изучения? 
– Так как мы в первую очередь методисты-прибористы, то ищем всякие интересные объекты для исследования. Наши усилия направлены на развитие новых методов масс-спектрометрии в применении к протеомике, метаболомике и липидомике, где сверхвысокое разрешение значительно облегчает идентификацию молекул, но их можно применять также для анализа имеющихся в нашем распоряжении уникальных молекулярных смесей. Например, органических соединений, обнаруженных нами недавно в лунном грунте, доставленном космической миссией на Луну в 1976 году (автоматическая межпланетная станция “Луна-24”), или смесей органических молекул в глубоких слоях Земли, экстрагируемых из кернов сверхглубокой Кольской скважины. Мы рассчитываем получить неизвестные науке данные о происхождении этих органических соединений.
– Эти работы выполняются в рамках грантов?
– Нас поддержал Российский научный фонд – в рамках трехлетнего гранта мы занимаемся развитием масс-спектрометрических исследований сверхсложных биохимических смесей. 
Если говорить о биологии, то недавно завершились абсолютно уникальные измерения и по объекту исследования, и по методу. В сотрудничестве с Институтом медико-биологических проблем РАН мы измерили белковый состав крови 18 космонавтов, которые длительное время проводили на МКС в условиях микрогравитации. Было три забора крови – до полета, сразу после приземления и через некоторое время после него. В ходе исследований мы увидели, что меняется белковый состав крови. Три типа белков ведут себя по-разному: одни не меняются, другие меняются, но быстро восстанавливаются, а третьи меняются, но восстанавливаются медленно. По-видимому, те физиологические изменения, которые происходят в организме космонавтов (уменьшение объема мускульной ткани, появление хрупкости костей и т.д.), с этим связаны. Однако молекулярный механизм этих процессов нам пока не понятен. 
– Принимают ли участие в этих исследованиях молодые ученые, студенты МФТИ? 
– Конечно. Они имеют доступ ко всему оборудованию, которое есть у нашего коллектива в лабораториях институтов РАН. В самом МФТИ в рамках Проекта 5-100 около года назад создана Лаборатория ионной и молекулярной физики, которую возглавляет мой ученик кандидат физико-математических наук Игорь Попов. Лаборатория сейчас оснащается, в ней уже установлены несколько масс-спектрометров, но реальные эксперименты пока не проводятся. 
– Расскажите все же про исследования древней амфоры. Кстати, как она к вам попала?
– Я уже говорил, что мы повсюду ищем интересные объекты для исследования. Один из наших молодых научных сотрудников, Юрий Костюкевич (сейчас он постдок в Сколтехе и преподаватель МФТИ), заинтересовался сообщением о том, что археологи нашли на месте строительства энергомоста в Крым древнюю амфору, заполненную нефтью, за два с половиной тысячелетия превратившейся в плотную и тяжелую смолообразную массу. Он съездил в Тамань и привез из местного музея кусочек содержимого амфоры – это был битум, а точнее, его разновидность – асфальт. Когда-то он был популярным товаром, его использовали, например, для сохранения мумий. 
– Амфора предназначалась для его транспортировки или хранения?
– Видимо, да, потому что она была заполнена им полностью. Элементный анализ показал, что найденный битум содержит 11% кислорода, хотя в свежих нефтяных образцах это число не больше 1%. Остальные элементы – углерод, водород, азот и сера – были в обычном соотношении. Однако мы решили выяснить, какие именно молекулы находятся в образце. Для этого были применены методы масс-спектрометрии сверхвысокого разрешения, которые позволяют различать молекулы, чьи массы отличаются на доли массы электрона. В ходе изучения образца таманского битума выяснилось, что кислородсодержащие вещества в нем по большей части имеют от четырех до девяти атомов кислорода. При этом в нормальных нефтяных образцах находится много соединений с двумя атомами кислорода и совсем немного – с тремя и четырьмя атомами кислорода. Если на сырую нефть подействовать озоном, то из-за окисления в ней появятся вещества с таким же содержанием кислорода, как и изучаемый битум. Это подтверждает теорию о том, что битум в амфоре подвергался длительному окислению на протяжении около 2500 лет. Возраст амфоры указали и археологи, но нам было интересно определить, что со временем происходит с битумом, сравнить его с другими образцами. Мы написали статью, и ее быстро опубликовал высокорейтинговый журнал, а дальше – вы сами знаете: СМИ вдруг проявили огромный интерес к этому исследованию. Хотя на том же Физтехе мы выполняем и более значимые проекты.
– Например?
– Например, в области медицины. Один из наших партнеров – НИИ нейрохирургии им. академика Н.Н.Бурденко. Методами масс-спектрометрии мы пытаемся идентифицировать опухоли, отличать их от других тканей. Обычно перед тем, как приступить к операции, нейрохирург использует магнитно-резонансную томографию, чтобы определить участки опухоли, которые надо удалить и при этом не затронуть жизненно-важные центры мозга. Таким образом, операционный процесс растягивается во времени, да и точность движений скальпеля часто оставляет желать лучшего. Современные методы масс-спектрометрии позволяют получать достоверную и своевременную информацию для того, чтобы идентифицировать ткань, находящуюся под скальпелем. В результате операция проводится не вслепую, когда за кровью и жидкостью на операционном поле ничего не видно, а на основе объективной информации о том, где находится опухоль. Еще одно интересное направление – диагностика состояния младенцев по анализу спектра выдыхаемого воздуха, которое мои ученики, выпускники МФТИ, развивают на базе Научного центра акушерства, гинекологии и перинатологии им. академика В.И.Кулакова. Третье направление связано с попыткой распознать легочные заболевания, в том числе рак легкого, по анализу конденсата выдыхаемого воздуха. Над ним мы работаем в сотрудничестве с НИИ пульмонологии.
– Получается, что с помощью разрабатываемых вами методов можно решить самые сложные научные задачи. 
– Конечно. И совершенствование методов масс-спектро­метрического анализа чрезвычайно важно, поскольку они определяют прогресс в науках о жизни, протеомике, метаболомике, липидомике, экзобиологии, происхождении жизни и многих других областях, включая медицину. 
Беседовала 
Светлана БЕЛЯЕВА
Фото автора

Нет комментариев