«Александр, добрый день!
У нас всё получилось. Вы отлично сделали свою работу. Мы получили результаты по трём типам биомолекул. Сейчас готовим статью. Подробности скоро.
Эмануэль Шнек».
Это письмо, больше похожее на СМС, стало финалом истории, которая длилась почти 4 месяца. Рядовой эпизод в жизни немецких исследователей обернулся историей успеха научной лаборатории в Калининграде.
НЕМЕЦКИЙ ВОПРОС
Всё началось в Потсдаме. Там находится Институт коллоидов и поверхностей Общества Макса Планка. В департаменте биоматериалов одна из научных групп занимается изучением клеточных мембран. Это важно и для фармакологии, и для трансплантологии, и для создания новых биоматериалов. Через мембраны в клетку попадают полезные вещества, и она же задерживает вредные, причём зачастую клетка к ним относит и лекарственные препараты. Так что химии и физики здесь больше, чем биологии. Руководит группой Эмануэль Шнек, прокомментировали в Калининграде сегодня, 28 февраля 2017 года, собкору Мой Калининград в БФУ имени Канта.
Перед группой стояла задача: определить наличие и концентрацию элементов, таких как сера и фосфор, в разных типах биомолекул. Сложность в том, что речь идёт о положении отдельных атомов. Привычная микроскопия здесь бессильна, один из выходов – мощные рентгеновские установки (синхротроны). Но сами по себе они бесполезны: рентгеновские лучи крайне сложно фокусировать, особенно когда речь идёт об объектах толщиной несколько атомов. Нужен альтернативный метод измерения и прибор для него — генератор стоячих волн.
Такие генераторы делают всего три производителя в мире: в Голландии, Германии и Японии. Казалось бы, перед немецкими исследователям стояла простая задача – заказать нужный генератор у любой из этих фирм. Однако группа Эмануэля Шнека рискнула и обратилась к малоизвестной лаборатории в России
КРИСТАЛЛ С СЕКРЕТОМ
Название «генератор» обманчиво. Это не какое-то механическое устройство, а искусственный кристалл. По сути это рентгеновское зеркало, падающие и отражённые от него рентгеновские лучи генерируют стоячую волну – «линейку», с помощью которой можно «измерять» расстояния внутри молекулы и в сочетании с методом рентгеновской флюоресценции одновременно устанавливать химический состав в точках измерения с атомарным разрешением. Такие генераторы создают не путём сборки отдельных деталей, а выращивают слой за слоем в специальной камере. Из чего состоят слои, в какой последовательности наносятся и их толщина – зависит от задач исследователей. Таким образом, производство генераторов стоячих волн сложно не только технологически, но и требует нетривиальных математических расчётов.
Коммерческие компании были готовы разработать новый генератор для группы Эмануэля Шнека, но цена и сроки изготовления не устроили учёных, это ставило под угрозу их эксперимент и грантовые обязательства. В Немецком электронном синхротроне (DESY, Гамбург) коллегам посоветовали обратиться к группе Александра Гойхмана – российским исследователям Центра «Функциональные наноматериалы» из БФУ им. И. Канта, которые уже успели добиться определённых успехов и в работе с рентгеном, и с выращиванием нанокристаллов. Шнек рискнул.
У калининградских исследователей работа заняла всего два месяца. За это время удалось провести расчёты и подобрать материалы для напыления и их пропорцию, чтобы в итоге получить нужную длину волны для обнаружения серы и фосфора. Оказалось, что нужны никель и алюминий, а самое главное – нужен иной инертный газ.
«Наращивание кристалла происходит в вакууме с использованием инертного газа, – делится автор разработки Ксения Максимова. – Причём молекулы газа всегда попадаются в кристалл и влияют на его характеристики. Обычно используется аргон, он удобен. Однако оказалось, что генераторы, созданные в аргоне, не позволяют обнаружить серу и фосфор из-за паразитного влияния этого газа. То есть эти элементы невидимы для таких генераторов. Мы решили использовать криптон и ксенон. Они тяжелее аргона, а главное – сам процесс нанесения слоёв сложнее. Но мы справились».
В итоге группа Шнека получила нужный набор генераторов. Дело в том, что для исследования каждой новой молекулы требуется новый генератор. Каждый из них — это пластина 1*1 см. На сапфировую подложку толщиной 300 микрон (0,3 миллиметра) нанесено несколько десятков слоев никеля и алюминия (их суммарная толщина – 120 нанометров, это всего 0,012 миллиметра). Толщина каждого слоя – несколько атомов, не более 30 ангстрем (один ангстрем – это десятимиллионная часть миллиметра). Технологически процесс производства занял 10 часов.
ИГРА С НЕНУЛЕВОЙ СУММОЙ
Сегодня уже можно сказать, что сотрудничество лабораторий в Потсдаме и Калининграде оказалось успешным и взаимовыгодным.
С помощью наноструктурированного генератора стоячих волн из БФУ имени И. Канта в Калининграде немецкие исследователи изучили биомолекулы трёх типов: липиды, сахара (гликолипиды, часто встречаются в мембранах клеток) и белки (альбумин сыворотки крови). Эксперименты проводились во Франции и Германии, на синхротронах в Париже (центр «Soleil»), в Гренобле (Европейский центр синхротронного излучения) и в Гамбурге (Немецкий электронный синхротрон DESY). Результаты экспериментов опубликованы в престижнейшем научном журнале Национальной академии наук США «PNAS». Уже можно сказать, что они открывают новые возможности для борьбы с дыхательной недостаточностью, а также в изучении реакции клеток на инородное тело. Также нет сомнений, что публикация Шнека и его соавторов не останется незамеченной, последуют цитирование и приглашения на конференции, что в конечном итоге и называется научным авторитетом.
Правда, среди авторов публикации нет имени ни Ксении Максимовой, ни аспирантки Центра «Функциональные наноматериалы» Ольги Дикой, непосредственно работавшей над проектом. Зато они получили другие бонусы. Во-первых, это коммерчески успешный проект.
Возможно, первый успех малого инновационного предприятия (МИП) на зарубежном рынке в истории БФУ им. И. Канта.
Оформлено ноу-хау, авторы даже получили первое вознаграждение (роялти). Во-вторых, попасть в число тех, кто может выполнять настолько сложные инженерно-производственные задачи, — это гарантия новых заказов. И они уже поступили: на этот раз от ведущего исследовательского центра в Швейцарии – знаменитого Института Пауля Шеррера, только физический размер рентгеновского зеркала больше – порядка 25 см. В-третьих, публикация всё же будет. «Теперь перед нами стоит задача на порядок сложнее, – уверяет Александр Гойхман. – Разница между 1 и 25 см очень велика. Сохранить толщину слоёв на всей поверхности такой большой пластины крайне сложно. Для нас это вызов. Мы уже делали способом напыления крупные лазерные зеркала, но по другой технологии. Кроме того, хочу отметить, что предстоящая работа ценна не только с технологической точки зрения, но и с научной. По итогам работы, думаю, получится хорошая публикация, а может быть, и патент».
КОММЕРЧЕСКАЯ ПЕРСПЕКТИВА
Сегодня в России существует два синхротрона, запланировано строительство и нового, более мощного и современного. В мире в ближайшие 3-4 года будет построен ещё десяток синхротронов. Более того, тестируется технология создания и компактных источников синхротронного излучения. В случае успеха собственные синхротроны смогут позволить себе не только государства, но и многие университеты и научные центры по всему миру. Так что спрос на специальную оптику и генераторы стоячих волн будет только расти. И пока НОЦ «Функциональные наноматериалы» БФУ им. И. Канта под руководством Александра Гойхмана – это единственный в России центр, обладающий опытом производства таких кристаллов. И это обстоятельство вселяет оптимизм.