Союз биологии и электроники не раз давал жизнь новым научным открытиям и разработкам. Очередной прорыв в этой области обещает работа ученых Института биохимии им. А.Н.Баха РАН, поддержанная грантом РФФИ.
Чего только не удается добиваться на пересечении наук! Многие современные открытия обязаны своим появлением тому, что ученые “не зацикливались” на своей области знаний, а расширяли горизонты поиска. Целью объединить разноплановое задался и доктор химических наук, старший научный сотрудник Института биохимии им. А.Н.Баха РАН, профессор биомедицинской технологии Университета города Мальмо (Швеция) Сергей ШЛЕЕВ. Его проект “Влияние наноструктур на биокаталитические характеристики оксидоредуктаз и жизнеспособность клеток” получил весомую поддержку — грант РФФИ. О том, что представляет собой эта работа, Сергей Валерьевич рассказал нашему корреспонденту.
— Исследованиями на стыке двух областей, биохимии и электрохимии, я решил заняться еще в аспирантуре, — вспоминает ученый. — С электрохимией была тесно связана моя дипломная работа в Брянском государственном университете, посвященная проблемам коррозии сталей. К биохимии, которой я тоже интересовался, она, правда, не имела отношения, но позже пришла идея объединить эти два направления. Я уже предвкушал лавры первого биоэлектрохимика планеты. Но, более внимательно почитав научную литературу, обнаружил, что… “немного” опоздал. Общепризнанным основателем биоэлектрохимии считается известный естествоиспытатель XVIII века Луиджи Гальвани. Понятно, я огорчился. Но и порадовался — мыслю в правильном направлении.
— Каким образом удается соединить знания из таких разных областей?
— Как биохимик, я занимаюсь изучением функционирования и регуляции активности биологических катализаторов, используя при этом и электрохимические методы. Как электрохимик, я заинтересован в создании биоэлектронных устройств, в том числе на основе окислительно-восстановительных ферментов, и биокатализаторов. В сфере моих исследований — разработка высокочувствительных биосенсоров, эффективных и стабильных источников тока на основе биоматериалов (топливных элементов, батареек, конденсаторов), а также биологических транзисторов и диодов для создания биокомпьютеров. Как ученый в целом, основное внимание уделяю фундаментальным биоэлектрохимическим исследованиям ферментов in vitro, но, как профессор биомедицинской технологии, думаю о практическом использовании биоэлектронных устройств in vivo, то есть имплантированных в живые организмы. Моя конечная практическая цель сегодня — создание самодостаточных (безбатарейных и беспроводных), потенциально имплантируемых сенсоров, датчиков измерения и контроля параметров жизненно важных органов и тканей, а также других имплантируемых биомедицинских устройств.
— Задача многоплановая и, как мне кажется, очень непростая.
— Я бы добавил: и трудно выполнимая без поддержки со стороны. Поэтому я и мои коллеги, посчитав, что наша работа отвечает требованиям Российского фонда фундаментальных исследований, рискнули подать заявку на конкурс и не ошиблись. В 2012 году наш проект получил грант РФФИ для ведущих молодежных коллективов. Исследования в рамках этого проекта направлены на изучение фундаментальных проблем биохимии и биоэлектроники. Для получения наноструктурированных поверхностей используются два основных подхода: модификация жестких поверхностей наночастицами золота и наноштамповая литография гибких биосовместимых полимеров. Работа проводится одновременно по четырем основным направлениям: исследования биоэлементов, изготовление и характеристика наноструктурированных и контрольных электродов, создание высокоэффективных и стабильных биокатодов и биоанодов, сравнительное изучение биоэлектродов в простых буферных растворах, многокомпонентных клеточных средах и клеточных культурах.
— Очень сложно. А нельзя ли попроще для тех, кто далек от этой тематики?
— Попробую. Мы исследуем механизмы взаимодействия биологических объектов, скажем, клеток, из которых построен наш организм (их размеры в 50 тысяч раз меньше, чем рублевая монета), и поверхности с частицами, которые в 50 миллионов раз меньше монеты. Очевидно, что такая поверхность становится наноструктурированной. Занимаемся также изучением биологических компонентов, выделенных из самих клеток, например молекулами — ускорителями реакций (размеры этих частиц сопоставимы с размерами наночастиц).
Нам уже удалось выяснить, что ускорения электронного переноса за счет использования наноструктурированной поверхности нет. Да, главные характеристики устройств с такой поверхностью лучше, но этот эффект связан с другими факторами, которые еще предстоит детально изучить.
— Кто вместе с вами занимается решением этих задач?
— Основные исследования проводятся в Институте биохимии им. А.Н.Баха молодыми людьми, от 21 до 36 лет. Это научные сотрудники разных лабораторий: Дмитрий Панкратов, Мария Хлупова, Марина Горбачева, Маргарита Шлеева, Алексей Тихонов. В проекте работают также студенты вузов: Галина Емельянова (Российский государственный аграрный университет им. К.А.Тимирязева), Александра Дударева (Брянский государственный университет им. И.Г.Петровского).
Помимо российских ученых задействованы также зарубежные исследователи из университетов городов Мальмо и Лунда (Швеция). Иностранные коллеги, в частности профессор Ларс Монтелиус и доктор Иван Максимов из нанолаборатории Лундского университета, оказывают поддержку в изготовлении и измерении характеристик наноструктурированных электродов. Профессора Томас Арнебрант и Таутгирдас Рузгас, оба с факультета здоровья и общества Университета города Мальмо, помогают изучать наноструктурированные поверхности и интерпретировать биоэлектрохимические данные.
— Хотелось бы услышать о ваших глобальных целях и далеких перспективах.
— Одна из основных фундаментальных проблем, которая интересует меня сейчас, связана с высокой специфичностью и эффективностью биологических катализаторов. Вернее, это даже не проблема, а природный механизм, который обеспечивает эти характеристики ферментов. Имеющиеся в настоящее время схемы, представленные в том числе во всех учебниках биохимии, на мой взгляд, не совсем полно, а может, даже и не совсем правильно отражают реальные процессы, происходящие внутри биологических катализаторов. Я думаю, по аналогии с революцией в физике в начале XX века, когда многим казалось, что основные открытия давно сделаны, но на смену этой самоуверенности пришла теория относительности Эйнштейна, глобальные изменения ждут и биологию. Возможно, в скором времени на сцену выйдет и серьезно заявит о себе квантовая биология, предсказанная Эрвином Шредингером еще в далеком 1944 году в его знаменитой книге “Что такое жизнь?”. Уже не претендуя на лавры “первого биофизика”, я планирую заняться изучением туннелирования субстратов при протекании окислительно-восстановительных ферментативных реакций. Надеюсь еще не раз добиться успеха. Вспоминая ставшую знаменитой фразу из книги русского литератора Александра Фомича Погосского: “Плохой тот солдат, который не думает быть генералом”, мечтаю о мировом научном открытии и Нобелевской премии.
— Это серьезно?
— Но вы же спрашиваете о глобальных целях и далеких перспективах! Несмотря на большой интерес к фундаментальным научным вопросам, хорошей наградой для меня, как ученого, стало бы также создание реального прибора, который широко использовался бы людьми в повседневной жизни. Например, сейчас я занимаюсь разработкой источника электропитания для так называемых умных электронных контактных линз. Представьте себе такую ситуацию. Вы идете по улице и смотрите любимый фильм, который спроецирован прямо на поверхности ваших глаз, а информация о состоянии вашего организма передается на айфон и далее непосредственно семейному доктору. Иногда фильм прерывается, появляется карта района, где показано ваше месторасположение и направление дальнейшего пути…. Сегодня это фантастика, реализовать такое пока невозможно. Но весомая грантовая поддержка Российским фондом фундаментальных исследований работ молодых ученых приближает то время, когда подобные фантастические идеи могут перейти в разряд осуществимых.
Фирюза ЯНЧИЛИНА
Снимки предоставлены С.Шлеевым
Нет комментариев