Как увидеть человека насквозь без рентгеновского аппарата? Можно ли заниматься нанотехнологиями и не быть жуликом? Есть ли способ с помощью света сделать жидкость твердой? Зачем китайцы вырастили человеческое ухо на мыши? Могут ли кристаллы быть жидкими? Когда биороботы решать проблему нехватки энергии на планете? Нужно ли отпускать молодых ученых за границу? Обо всем этом главному редакотру «Аргументов недели» Андрею Угланову рассказывает заведующий лабораторией лазерной биомедицины, ФНИЦ «Кристаллография и фотоника» РАН, кандидат физико-математических наук Евгений Хайдуков.
Заглянуть во внутренний мир человека
- Здравствуйте, Евгений Валерьевич! Недавно вы получили премию президента, которая вручается молодым ученым за их научную деятельность. Вас наградили за разработку инновационных технологий и изобретений в ФНИЦ «Кристаллография и фотоника», который находится в Подмосковье и занимается какими-то чудесами. В одном из интервью вы говорили, что теперь у вас есть возможность видеть человека насквозь. Что вы имели в виду?
- Наш федеральный научный центр «Кристаллография и фотоника» Российской академии наук был сформирован приблизительно 5 лет назад как раз для того, чтобы объединить усилия специалистов в области лазерной техники, кристаллографии и биомедицинской физики. Он находится не только в Московской области, но еще в Москве и Самаре, это крупное объединение ранее разрозненных научных организаций. «Видеть человека насквозь», конечно, в некотором смысле, метафора. В принципе, человека насквозь уже давно можно видеть с использованием Х-лучей или, как их принято называть в России, рентгеновского излучения. Это серьезная область науки, за которую был присужден целый ряд нобелевских премий. Наша же идея заключается в том, чтобы использовать обыкновенные фотоны из почти видимого диапазона спектра для того, чтобы можно было заглядывать в глубь биологических тканей.
- А зачем, если уже есть рентген?
- Количество съемок в рентгеновском аппарате для конкретного человека имеет ограничение. Эту процедуру нельзя проходить часто, потому что эти лучи обладают довольно высокой энергией и способны ионизировать, в результате чего мы можем получить повреждение биотканей и развитие различного рода заболеваний. При этом, свет оптического диапазона спектра мы видим постоянно и эволюционно он нам не вредит, а чаще приносит нам пользу. Разумеется, возник вопрос - а нельзя ли его использовать для того, чтобы посмотреть поглубже в человеческую ткань. Оказалось, что можно. Ни для кого не секрет, что свет ближнего инфракрасного диапазона находится прямо на границе видимого диапазона нашего глаза. Это, скажем так, чуть более красный свет, чем мы видим. И он способен довольно глубоко проникать в биоткани.
- Насколько глубоко?
- Порядка 4-5 сантиметров, это сильно зависит от типа биоткани. На этих особенностях низкоэнергетичных фотонов мы и пытаемся строить технологию, которая бы позволила нам заглянуть в глубь биоткани. Это не основная часть наших исследований, но именно с неё мы начинали свои исследования.
- Насколько я знаю, фотоны никогда не были реально зарегистрированы, а излучение света солнца имеет некий корпускулярно-волновой дуализм.
- Если вернуться к классическому рассмотрению, то фотон одновременно и волна, и частица. Есть эксперименты, доказывающие оба аспекта. Но для нас это не имеет никакого значения. В качестве излучателя мы используем лазер с определенной длиной волны, который испускает требуемый для нас диапазон спектра. Эта длина волны может глубоко проникнуть в биоткань, и если мы в эту биоткань помещаем особые нанокристаллы, то они способны переизлучить этот самый свет лазера на другой длине волны, которая нам нужна. На этом строится принцип зондирования биоткани. Казалось бы, можно использовать инфракрасный свет для того, чтобы просветить, скажем, ладонь. Ну, хорошо, а дальше что? Если у нас нет специального наномаркера, который доставлен туда, куда нам нужно и промаркировал требуемую для нас область, то это действие абсолютно бесполезно. А когда наномаркеры способны переиспустить фотон, мы уже можем регистрировать это с использованием обычной камеры. И дальше на этом строится вся диагностика.
Чубайс нам денег не дал
- У меня при упоминании наночастиц в голове сразу возникает Чубайс, чья контора Роснано оказалась растратчиком 70 миллиардов рублей без каких-то результатов. В голове обычного человека слова «нано» и «жулик» стоят по соседству. Вы с Чубайсом связаны или у вас какие-то особые частицы?
- К Чубайсу и Роснано мы отношения не имеем. Еще на заре создания этой госкорпорации мы пытались получить у них небольшое финансирование под наши разработки, но дело не закончилась ничем.
- Как и у многих других, кто пытался сделать что-то реальное.
- Если говорить об источниках нашего финансирования, то основными бенефициарами являются Российский фонд фундаментальных исследований (РФФИ) и Российский научный фонд (РНФ). На их гранты мы выстраивали работу. Роснано, конечно, сильно скомпрометировало сам термин «нано», но он вполне научен. Если размер объекта меньше 100 нанометров, то его можно считать нанообъектом.
- Готовясь к интервью, я прочитал, что вы какой-то мыши сумели подсадить человеческое ухо. Как это может быть? Ведь ухо человека больше мыши. Как вы это сделали, а главное - зачем?
- Это сделали не мы, хотя и по нашей технологии. В 2018 году мы придумали, как инициировать процесс полимеризации в глубине биотканей с использованием апконвертирующих наночастиц (Апконвертирующие наночастицы, обладающие уникальными оптическими свойствами, считаются перспективной платформой для создания опухолевых маркеров, обеспечивающих оптическую визуализацию тканей в режиме реального времени с высокой чувствительностью и контрастом, что позволяет использовать их для интраоперационной диагностики - прим. ред.). Идея заключается в том, что вы можете послать на эту наночастицу инфракрасный свет, а она, в свою очередь, довольно хитрым образом его преобразует в более жесткий квант ультрафиолета. А квант ультрафиолета уже может запустить процесс полимеризации. Это давно используется для фотополимерной технологии, для микроэлектроники. Энергии кванта ультрафиолета достаточно для того, чтобы разорвать двойную связь и запустить этот процесс. Мы довольно долго боролись за то, чтобы опубликовать эту работу. Посылали её в Американское химическое общество. Нам отказали под довольно интересным предлогом - сказали, что автор с такой фамилии, как у меня, только через другую букву, к ним уже обращался. Мы понимали, что идет очень серьезная конкуренция за то, кто первым продемонстрирует эту технологию. И для нас было принципиально важно закрепить приоритет.
- Можете популярно описать эту технологию?
- Представьте себе стакан с жидким полимером, у которого физико-химические свойства близки к свойствам воды. Насыпаем туда соответствующую нанопыль, освещаем инфракрасным светом, и это запускает процесс полимеризации и жидкость станет твердой.
- И ей можно придать нужную форму?
- Да, конечно, если я буду правильным образом сканировать лазерным излучением эту жидкость, то могу сформировать некий трехмерный объект прямо внутри стакана. Эта технология тоже не нова, потому что используется двухфотонное поглощение. Но для этого нужны дорогущее фемтосекундное лазерное излучение большой интенсивности. И, конечно, никакие биоткани здесь не могут участвовать. А наша идея была простой - вы можете накрыть эту жидкость биотканью, просветить через нее лазерным излучением и, соответственно, под ней сформировать некую структуру. В итоге, мы были вынуждены пойти на понижение рейтинга журнала, в котором опубликовали эту работу. Это журнал «Scientific reports» группы Nature. Мы смогли это сделать довольно быстро. И каково было наше удивление, когда они нам вскоре прислали поздравительное письмо, что наша работа вошла в топ-100 лучших материалов в области материальных наук. А вскоре с нами связалась группа китайских специалистов из Сычуаньского медицинского университета. Именно они вырастили фрагмент человеческого уха на мышке. Они оказались в неловком положении, потому что получилось так, что приоритет за нами, но мы не успевали показать полимеризацию под слоем биоткани на практике. А они в практической области продвинулись дальше, но были вынуждены примерно четверть своей работы посвятить описанию нашей технологии.
- Странная история. Обычно китайцы, если у кого-то что-то, пардон, тырят, то никогда не оправдываются. Китайцы меняются?
- Научный мир сейчас довольно открыт и прозрачен, и никто не хочет быть уличенным в воровстве и хищении научного знания.
Медузоподобные кристаллы
- Наши читатели все же не научные работники, им нужны понятные примеры. Возьмем популярные марвеловские комиксы. Одним из известнейших героев является человек-муравей. Там ученый путем манипуляций с наночастицами уменьшает героя до размеров муравья. У вас, похоже, такие же цели?
- Наука всегда эволюционировала вслед за литературой. Но не за комиксами, а за научной фантастикой. Наша технология в каком-то смысле является наномашиной. То есть, на основе неорганических нанокристаллов мы пытаемся строить природоподобные системы, которые, попадая в организм, могут управляться извне светом. А дальше уже наша задача выбрать, какую основу заложить в эти самые наномашины, которые мы запустили в кровь. Например, эти наночастицы могут бороться с рядом заболеваний. Скажем, если мы смогли доставить их к опухолевой ткани, дальше нам остается просто сказать нашей наномашине - вы пришли, куда нужно, теперь надо убить этих нехороших ребят. И они начинают крошить опухолевые клетки в капусту, повинуясь команде инфракрасного света. Мы уже проводим такие эксперименты с малыми животными.
Это лишь один маленький аспект возможностей этой технологии. Возьмем ухо на мышке. Его вырастили для демонстрации возможности технологии. По какому пути развивается регенеративная медицина? Она сначала формирует из некой ткани инженерную конструкцию, некий каркас с использованием тех же фотополимерных технологий. Дальше этот каркас отмывается от всяких остаточных примесей. Потом у пациента берутся его собственные клеточки, заселяются на этот каркас. Все это помещается в инкубатор, где происходит процесс наращивания этих клеток, формирования тканевой инженерной конструкции. И это все должно попасть обратно в пациента. А пациент говорит - я совсем другое хотел, переделывайте. Цикл весьма сложный. Наша идея в том, чтобы попытаться запустить процесс полимеризации с живыми клетками. То есть, мы берем простой шприц с фотополимером, который взят из нашего же организма, впрыскиваем в зону дефекта. Остается включить инфракрасный свет и ждать, что дефект будет восстановлен. Китайские специалисты сделали практический шаг, немножко опередив нас, но с использованием нашей технологии, и вырастили уменьшенную копию человеческого уха, взяв жидкость, инжектировав ее подкожно и запустив процесс полимеризации.
- Одна из ваших работ называется «Медузоподобные кристаллические структуры». Кристаллическая решетка - это символ чего-то прочного. Алмазы имеют кристаллическую решетку. А тут «медузоподобное». На мой взгляд, это вещи, диаметрально противоположные.
- Конечно, отчасти, мы дали такое название, чтобы привлечь внимание научной общественности к этой разработке. Но только отчасти. Дело в том, что нанокристаллы после некоторого воздействия на них стали очень похожими на медуз. Именно поэтому мы их так назвали. На самом деле, за этим стоит более глубокая вещь. Мы обнаружили процесс, который ранее считался невозможным. Считалось, что при внешнем воздействии на сложный нанообъект мы можем пойти только по нисходящей, по пути упрощения иерархии структуры этого объекта. Мы же совершили обратный процесс. Взяли лазерное излучение и стали очень деликатно воздействовать на поверхность нанокристалла. Мы подплавляли слой буквально в несколько нанометров. И обнаружили, что там работают некие новые законы, которых нельзя было ожидать. Мы увидели процесс перекристаллизации в наносостоянии. Тонкий подплавленный слой привел к тому, что у нас начали расти более тонкие структуры и усложнять иерархию в общем виде этой структуры.
- Так почему же именно «медузоподобные»?
- Сегодня приходит понимание, что нужно отказываться от кремниевой технологии в вычислительной технике. Эти технологии не энергоэффективны. Население планеты растет и требует ресурсов. А какой самый важный ресурс? Энергия! Нужно разрабатывать энергоэффективные технологии. Мне очень импонирует предложение Михаила Валентиновича Ковальчука, что нужно развивать природоподобные технологии. Ведь живая природа гораздо более энергоэффективна, чем то, что мы сегодня делаем. Мы сейчас пытаемся сформировать некую концепцию и даже приступили к реализации этой идеи совместно с Курчатовским институтом, где мы будем пытаться сделать природоподобную систему, некую медузу, которая будет плавать в банке в ответ на стимулирующие световые импульсы, которые мы ей будем подавать. Эту медузу мы соберем в лаборатории и у неё в качестве двигающихся клеток будут клетки человека, а сама она будет изготовлена из биосовместимых полимеров.
- А при чем здесь энергетика? Я так понимаю, требуется создать какие-то системы, чтобы они заменили углеродную энергию.
- Нужно включить фантазию. Ведь это первый шаг к биороботам, которые будут выполнять функции и потреблять энергию, как это делают живые организмы, т.е. энергоэффективно.
Академическая свобода
- Общепринятое мнение, что российская наука в загоне, что молодые ученые уезжают в США или Китай, где у них масса возможностей, которых в России нет. Это так?
- Договоримся о понятиях. Кого мы считаем молодым ученым? В России это ученый до 35 лет. В действительности, если посмотреть на молодежь, которая приходит в организации, то в России для этой прослойки научного населения созданы довольно комфортные условия. Но есть опасения, что все может измениться. Было принято решение модернизировать Российский фонд фундаментальных исследований. А ведь политика председателя совета РФФИ Владислава Яковлевича Панченко была направлена на активную поддержку молодежи. Он первый догадался ввести систему стимулирования молодых ученых. Фактически, человек после окончания университета, поступив в аспирантуру и задержавшись там на один год. т.е. подтвердив свой талант и упорство, уже мог подать и получить свой первый грант. Да, он был небольшой, но этот грант ему позволял получить так называемую академическую свободу - свободу от руководства, свободу от профессора, который его контролирует. И он был свободен в принятии своих решений, потому что он персонально нес ответственность за выполнение своего гранта. Этот этап быстро модернизировался в следующий раунд проектов. После успешного выполнения первого маленького гранта, молодой ученый мог подать и получить более крупную сумму уже сформировать свою молодежную научную группу. Сегодня РНФ пытается заместить РФФИ, и это, на мой взгляд, пока получается не очень. Пошли некие пертурбации с финансированием с поддержкой молодежи. Но в целом, если говорить о людях до 35 лет, то у них все в порядке.
- А у вас была возможность про это сказать президенту, когда вам премию вручали?
- К сожалению, нет.
- Когда будут вручать вторую премию, обязательно скажите ему про РФФИ, что последние лет 20, когда говорят о поддержке молодых ученых, то всегда вспоминают Российский фонд фундаментальных исследований. И все же, многие молодые ученые уезжают за границу. Вас туда звали?
- Да, конечно, более того, продолжают звать. Но мне кажется, на эту ситуацию нужно смотреть немножко шире. Когда я слышу сочетание «российская наука» - это режет мне слух. Я считаю, что наука не может быть российской, китайской или американской. Наука - это нечто общее, что объединяет нации. И в этом смысле я не вижу ничего плохого, когда молодежь едет за границу. У нас эта практика еще со времен Ломоносова. Мы исторически ездили туда, набирались опыта, возвращались обратно и делали здесь замечательные вещи. Поэтому, мне кажется, напротив, нужно поддерживать желание молодежи поехать туда поучиться. Ведь с большой долей вероятности он там не останется, вернется, потому что у него здесь родители, друзья, другие связующие вещи. Я бы открыл ворота и сказал - езжайте, товарищи, учитесь, стажируйтесь. Это только пойдет нам всем на пользу. За границей существует так называемая академическая свобода, которой не хватает тут. Я понимаю, о чем я говорю, потому что я был на таких коротких стажировках, и на одной из них, например, за полтора месяца мы с супругой вдвоем сделали 3 замечательных работы. В России я бы на это потратил существенно большее время. И не потому, что здесь чего-то не хватает или кто-то мешает. Просто там все гораздо быстрее. Люди там гораздо больше и быстрее коммуницируют между собой, что очень важно для науки. Потому что сегодняшняя наука не делается одним человеком, она делается группой лиц. А в России с коммуникацией, к сожалению, проблемы.