20 Жовтня 2021 17:20

«Полювання» на молекули та патогени

Необхідність виявлення надзвичайно малої кількості речовини, як корисних, так і небезпечних молекул – проблема не нова. Але сьогодні, під час епідемій, терористичних загроз та інших викликів, виявляти хімічні речовини, біомолекули, віруси та бактерії необхідно максимально швидко й точно. 

Звісно, розв’язання цієї проблеми неможливе без фундаментальних досліджень. Саме таке дослідження базових фізичних механізмів для подальшої розробки зручного методу пошуку біомолекул чи патогенів виконують науковці Інституту фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова та Інституту харчової біотехнології та геноміки НАН України. У 2020 році вчені подали на конкурс Національного фонду досліджень України проєкт «Новітня SERS-наноплатформа для ефективного детектування біомолекул та патогенів» і отримали грантове фінансування в розмірі близько семи мільйонів гривень.  

Керівник проєкту – провідний науковий співробітник Інституту фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова Володимир Джаган розповів, що науковців відділу оптики і спектроскопії тематика SERS (Surface Enhanced Raman Scattering, в перекладі – підсилене поверхнею розсіяння світла) цікавить уже давно. Учені мають вагомі напрацювання і публікації у міжнародних журналах, але для «прориву» в цьому напрямі не вистачало фінансування, тому оголошення конкурсів НФДУ науковці сприйняли як шанс зробити те, що давно задумали.

Рішення на перспективу

Перед подачею заявки дослідники влаштували брейнштормінг, щоб вирішити, – в якому з двох конкурсів («Підтримка досліджень провідних та молодих учених» чи «Наука для безпеки людини та суспільства») взяти участь. «Зважили всі «за» і «проти» й вирішили подаватися на перший, оскільки проєкт спрямований на виконання, передусім, фундаментального дослідження, – пояснює Володимир Миколайович. – Окрім того, важливо було залучити до роботи молодих науковців, адже саме вони розвиватимуть цей напрям і після закінчення проєкту. У нашій команді їх семеро!».

Проєкт виконують десять дослідників, які представляють три галузі науки: фізику, хімію та біологію: «Саме міждисциплінарність є однією з сильних сторін нашої команди і проєкту, – наголошує Володимир Миколайович. – До речі, у важливості міждисциплінарних підходів я пересвідчився під час роботи у закордонних лабораторіях. Тепер, завдяки грантовій підтримці НФДУ, маю можливість поділитися досвідом із молодими колегами».

Швидко, точно, недорого 

У чому ж суть проєкту? Що хочуть зробити науковці?

– Якщо говорити просто, ми хочемо дослідити базові (фундаментальні) фізичні механізми для подальшої розробки точного і зручного методу детектування (пошуку) біомолекул чи патогенів, – пояснює учений. – Це важливо для багатьох сфер життя людини – від контролю за якістю продуктів до епідеміологічних чи терористичних загроз. Над різними аспектами цієї теми, до речі, сьогодні працюють сотні колективів у цілому світі.

Учені аналізують лазерне випромінювання, розсіяне на поверхні твердого тіла чи у рідині, де може знаходитися біомолекула чи патоген, які потрібно виявити. «Опромінюємо зразок і частина випромінювання взаємодіє з потрібними нам молекулами, – продовжує розповідь дослідник. – За відмінностями у спектрі світла можна визначити, які саме молекули чи патогени присутні на поверхні. В ідеальних умовах зробити це досить просто, а от у реальних – процес детектування дуже складний, адже до оптичного сигналу нечисленних (корисних, чи навпаки, шкідливих) молекул, які потрібно виявити, долучається величезна кількість сигналів від інших молекул і мікроорганізмів».

Для того, щоб виявити потрібну молекулу, вчені наносять досліджувану речовину на спеціальну (наноструктуровану) поверхню. Ця поверхня забезпечує гігантську концентрацію лазерного світла у певних точках. Коли потрібна молекула опиняється поблизу цих «гарячих точок»,  кількість розсіюваного світла зростає у мільйони, ба більше, у мільярди разів. «Завдяки цьому можна виявити надзвичайно малі концентрації певних речовин, – зазначає пан Володимир. – Але для того, щоб система детектувала потрібні молекули або патогени, необхідно змусити їх збиратися у цих „гарячих точках”».

Утім, зібрати молекули-мішені у певному місці – лише половина справи, потрібно ще й «позбутися» молекул, які заважають процесу «впізнання». Для цього дослідники пропонують вкрити (функціоналізувати) поверхню шаром спеціальних молекул, здатних розпізнати й приєднати до себе лише певний вид молекул-мішеней чи мікроорганізмів.

Для того, щоб метод був максимально ефективним, потрібно  також підсилити сигнал розсіяння та пришвидшити аналіз.

– У проєкті ми запропонували об’єднати інноваційний підхід щодо  розробки наноструктурованих поверхонь та їх функціоналізацію (нанесення спеціальної речовини), – пояснює Володимир Миколайович. – Фактично ми досліджуємо і пропонуємо новий тип підсилювальних поверхонь, які працюють на основі підкладки (тонкої пластинки) зі скла або полімеру, вкритої шаром наночастинок шляхетного металу. На відміну від технологій, які були розроблені раніше, зокрема, й нашою групою, сенсорні поверхні цих підкладок є не випуклими острівцями, а заглибленнями субмікронного розміру, так званими «інвертованими наноострівцями», вкритими наночастинками золота або срібла.

Учені переконані, що за допомогою такої структури можна покращити однорідність нанесення досліджуваної речовини та збільшити кількість «гарячих точок», у яких збираються потрібні молекули чи патогени.

Розширити «асортимент» молекул

Чи вдається реалізувати задум? Що зроблено на сьогодні?

Керівник проєкту розповів, що його група знаходиться ще на півдорозі (до закінчення проєкту ще понад рік), однак уже зуміла винайти мікронні та субмікронні структуровані поверхні, здатні підсилювати розсіювання світла. А також – функціоналізувати ці поверхні. У результаті отримано відчутне підсилення сигналу від певних біомолекул. «Це не лише формальне виконання технічного завдання, ми справді задоволені результатом, – зазначив пан Володимир. – На наступному етапі плануємо провести серію досліджень із оптимізації отриманих поверхонь, покращити сенсорні показники, а також – розширити «асортимент» біомолекул, які можна було б детектувати».

Утім, найцікавішим і найвідповідальнішим для проєкту має стати наступний 2022 рік. Перед дослідниками стоїть завдання поєднати в одній робочій структурі (підкладці) вже напрацьовані сенсорні поверхні різної модифікації та функціоналізації. Окрім цього, науковці ставлять перед собою амбітну мету – не лише дослідити можливість селективного й високочутливого детектування біомолекул, а й спробувати в одному тесті виявити кілька різних молекул.

За кошти грантового фінансування придбано дороге обладнання: сучасний чутливий і швидкий детектор для реєстрації спектрів розсіяння світла; лазер для збудження цих спектрів; спектрометр для вимірювання параметрів біомолекул, наявних в дуже малих об’ємах. «Детектор, наприклад, коштує мільйон гривень, а новий лазер близько 300 тисяч. За кошти базового фінансування НАН це обладнання, на жаль, не купиш, – зазначив Володимир Миколайович. – Між тим, ці прилади належать до мінімального набору інструментів сучасної спектроскопічної лабораторії. Без них робота дослідника неможлива».

Учений переконаний, що ця інвестиція має велике значення не лише для проєкту (якість отриманих даних зросла на порядок!), а й для підвищення рівня досліджень усього інституту. «А в масштабах країни придбання обладнання за кошти грантового фінансування означає можливість «укомплектувати» сучасними приладами чимало наукових установ, – наголосив Володимир Джаган. – Це потужний позитивний ефект від діяльності НФДУ».

Формальні вимоги аж ніяк не формальність

Запитуємо Володимира Миколайовича: що потрібно для перемоги у конкурсі?

Учений відповів, що радить звернути увагу на, здавалося б, загальновідомі речі та формальні вимоги. «У проєктній заявці потрібно чітко окреслити мету та проблему, на вирішення якої вона спрямована; логічно викласти методи і підходи до її досягнення (вирішення) в рамках запропонованого проєкту; вказати очікувані результати, – зазначив він. – І пам’ятати, що на формальних вимогах відсіюється дуже багато проєктів не лише в Україні, а й в усьому світі. Чіткість оформлення заявки означає, що ваші ідеї правильно зрозуміють та належним чином оцінять експерти. До того ж акуратність та точність в документальному супроводі наукової роботи свідчить про зрілість і підхід дослідника до виконання самої роботи. Належним чином оформлена заявка додає позитивного враження про роботу в цілому».

Із власного досвіду виконання проєкту Володимир Джаган порадив максимально зважено і реалістично прописувати обсяги робіт. Не геройствувати, не планувати «захмарних» результатів. Іншими словами – врахувати не лише професійність команди та її потенціал, а й те,  що можуть виникнути непередбачувані перешкоди. Під час виконання проєкту «Новітня SERS-наноплатформа для ефективного детектування біомолекул та патогенів», наприклад, довелося адаптуватися до обмежень, пов’язаних із пандемією, та, частково, зі зміною термінів фінансування. «Утім, успішне завершення чергового етапу проєкту підтвердило і вдалий підбір команди, і зацікавленість адміністрацій установ, і кваліфікацію персоналу Фонду, – наголосив дослідник. – Коли всі сторони орієнтовані на результат, можна розв’язати всі поточні проблеми».

Світлана ГАЛАТА

Інші новини

13 Червня 2024

Антибіотики наступного покоління

Команда вчених досліджує перспективну молекулу для нових ліків Неконтрольоване використання антибіотиків в останні десятиріччя привело до появи велич

12 Червня 2024

Анонс навчально-практичного та інформаційного заходу в місті Ужгород

Національний фонд досліджень України інформує, що 19-21 червня в місті Ужгород на базі Ужгородського національного університету відбудеться навчально-пр

У Варшаві відбулась Четверта польсько-німецька наукова зустріч 2024 року

10-11 червня відбулась Четверта польсько-німецька наукова зустріч 2024 року. Організаторами заходу виступили Фонд польської науки (FNP), Національний на

10 Червня 2024

Другий конкурс в межах програми MSCA4Ukraine 2024

Презентаційний захід та інформаційний день MSCA4Ukraine Завдяки нещодавньому додатковому фінансуванню в розмірі 10 мільйонів євро, яке виділила на пі

Оголошено про початок прийому наукових робіт на тему «Гендерна рівність та інновації – ключі до сталої торгівлі»

Секретаріатом Світової організації торгівлі (СОТ) спільно із Центром гендерних досліджень СОТ та організацією «ООН-Жінки» оголошено про початок прийому