Специалисты в области механики и оптики Университета информационных технологий, механики и оптики (ИТМО) разработали инновационную установку — фемтосекундную камеру, предназначенную для эффективной и высокоскоростной визуализации процессов внутри живых клеток. Принцип работы устройства основан на анализе искажений световых импульсов фемтосекундного лазера при прохождении через исследуемый образец, что позволяет получать детальные изображения без применения специальных контрастных агентов. Данная технология крайне важна для изучения клеточной жизнедеятельности, представляющей собой совокупность сложных биохимических и физических реакций, протекающих в динамике высоких скоростей.
Для изучения таких процессов обычно используются электронные микроскопы, но для этого требуется использование специальных красящих веществ, делающих снимки более контрастными. Помимо улучшения качества снимков, использование веществ-агентов может оказывать отрицательное влияние на метаболизм изучаемых клеток. Новые цифровые голографические микроскопы лишены упомянутого выше недостатка, но они обеспечивают получение снимков с низкой разрешающей способностью.
Новая камера, созданная учеными из ИТМО, позволяет регистрировать даже самые быстрые биохимические процессы, регулируя свою разрешающую способность. Единственным ее ограничением является то, что исследуемые образцы должны быть прозрачными. Устройство синтезирует изображения на основе данных анализа искажений импульса света фемтосекундного лазера, которые возникают при его похождении сквозь объект, а основным источником данных является смещение фазы света.
Исходный импульс лазерного света перед использованием расщепляется на три луча. В первом луче заключено 95 процентов от общего количества энергии импульса и этот луч используется для диагностических и калибровочных целей. Второй луч проходит через исследуемый образец, а третий направляется мимо образца при помощи системы зеркал. Второй луч, прошедший сквозь образец, и третий, выступающий в роли опорного, складываются, и в месте их наложения возникает голографическая картина, состоящая из череды максимумов и минимумов световых волн.
Изменяя положение зеркал, можно заставить опорный луч приходить к “месту встречи” с определенной задержкой. Другими словами, при помощи опорного луча производится сканирование луча, прошедшего через исследуемый образец. Каждый шаг такого сканирования порождает очередной голографический образ и череда этих образов превращается в изображение при помощи быстрого компьютерного алгоритма.
Ученые из ИТМО собираются продолжить работу по совершенствованию созданной ими камеры. Но и в том виде, в котором она существует на сегодняшний день, она уже представляет собой весьма мощный научный инструмент. Помимо того, что новая камера обгоняет все имеющиеся подобные инструменты по скорости работы и по разрешающей способности, ее конструкция гораздо более проста, нежели конструкция любого из мощных современных микроскопов.
Для любознательных
Разработка фемтосекундных камер для съемки биопроцессов внутри живых клеток — это передовой край фотоники и биомедицинских технологий. Такие камеры способны фиксировать процессы с временным разрешением в фемтосекунды (1 фс = 10⁻¹⁵ секунды), что позволяет «замедлить» химические реакции, происходящие внутри клеток.
Кто разрабатывает в мире?
- MIT (Массачусетский технологический институт, США)
— Создатели технологии фемтосекундной визуализации (femto-photography), способной «снимать» свет, распространяющийся по объекту.
— Применяется для изучения ультрабыстрых процессов, включая передачу сигналов в нейронах.
— Руководитель проекта — профессор Рави Пандит. - Caltech (Калифорнийский технологический институт, США)
— Разрабатывает ультрабыстрые голографические системы на основе фемтосекундных лазеров.
— Позволяет наблюдать динамику белков и ДНК в реальном времени. - Институт физической химии Польской академии наук (Польша)
— Под руководством доктора Юрия Степаненко создан фемтосекундный лазер, способный запечатлеть химические превращения внутри клетки.
— Применяется для изучения реакций, происходящих за десятые доли фемтосекунды. - Max Planck Institute (Германия)
— Ведёт исследования в области ультрабыстрой спектроскопии и фемтосекундной микроскопии, позволяя отслеживать электронные переходы в биомолекулах.
Кто разрабатывает в России?
- Университет ИТМО (Санкт-Петербург)
— Учёные лаборатории цифровой и изобразительной голографии создали установку для фемтосекундной голографической съёмки.
— Камера фиксирует голограммы с временным разрешением около 50 фемтосекунд.
— Позволяет визуализировать прозрачные биоструктуры, такие как живые клетки, без контрастных веществ.
— Применяется для изучения:- биохимических реакций внутри клеток,
- механизмов онкологических и нейродегенеративных заболеваний,
- эффективности противораковой терапии.
— Руководитель лаборатории — Николай Петров, ведущий автор — Арсений Чипегин.
— Устройство описано в статье Time-resolved image plane off-axis digital holography (Applied Physics Letters, 2017).
- МГТУ им. Н.Э. Баумана (Москва)
— Хотя основной фокус — на фемтосекундных лазерах, их разработки тесно связаны с визуализацией.
— Создан лазер с импульсами длительностью 60 фемтосекунд, работающий в диапазоне 2,2–2,4 мкм (четвёртое окно прозрачности воды).
— Позволяет получать изображения тканей с разрешением до 22 мкм, чётко видя коллаген и другие структуры.
— Может использоваться как источник света для фемтосекундных камер.
— Разработка ведётся в рамках программы «Приоритет-2030».
— Автор — инженер Елизавета Котова. - СПбГУ и ИОФ РАН (Институт общей физики РАН)
— Ведут исследования в области ультрабыстрых оптических систем и нелинейной микроскопии, что является основой для создания новых камер.
Для чего это нужно?
Фемтосекундные камеры и установки применяются для:
- Изучения биохимических реакций в реальном времени
— Например, можно наблюдать, как фермент связывается с ДНК или как изменяется конформация белка. - Ранняя диагностика заболеваний
— Визуализация изменений в клетках до появления клинических симптомов рака, нейродегенерации и аутоиммунных процессов. - Контроль эффективности терапии
— Наблюдение за тем, как клетки реагируют на лекарства, в режиме реального времени. - Неконтактная и безопасная визуализация
— Не требует введения красителей, не повреждает клетки, что позволяет проводить долгосрочные наблюдения. - Редактирование генов и клеточных процессов
— С помощью тех же лазерных импульсов можно не только снимать, но и управлять процессами — например, нагревать или перемещать вирусы, активировать определённые гены. - Развитие квантовой биологии
— Изучение квантовых эффектов в живых системах, таких как туннелирование электронов в ферментах.
Перспективы
Такие технологии позволяют перейти от статичной микроскопии к динамическому кино биопроцессов. В России, несмотря на отставание в микроэлектронике, сохраняются сильные позиции в оптике, голографии и лазерной физике, что даёт возможность создавать уникальные установки, конкурирующие с мировыми аналогами.
Работы в Университете ИТМО и МГТУ им. Баумана показывают, что Россия способна не только импортозамещать, но и опережать мировые тенденции в узкоспециализированных, но стратегически важных областях — таких как фемтосекундная визуализация живых клеток.
