Як в Курчатовський інститут перевіряють штучні органи

Сучасну науку неможливо окинути поглядом. Яку сферу не візьми - сотня напрямків. Якому ні йди - на кожному кроці відкриваються гігантські пласти знань. Закопавшись в них, можна піти на нескінченну глибину в спробах пізнати світобудову. Сучасна наука - це більше не колби з пробірками. Сучасна наука тяжіє до конвергенції: все відкриття і прориви зараз робляться на стиках різних дисциплін.

А сучасний вчений повинен бути фахівцем у багатьох областях. Щоб зрозуміти, як влаштований світ, пізнати себе і суть речей, необхідний підхід відразу з декількох різних точок зору. Але фундаментальна наука так само велика, як космос. А що ж в більш приземлене сенсі?

Фото: портал Москва 24 / Антон Велікжаніна

Фундаментальна наука дає великі пагони у вигляді цілком прикладних теорій і практик. Наприклад, біоіскусственние органи, які можуть значно покращити життя людини. Сьогодні в Національному дослідницькому центрі (НДЦ) "Курчатовський інститут" над цим та іншими подібними проектами працює цілий комплекс нано-, біо-інформаційних, когнітивних і соціо (НБІКС) - природоподобное технологій.

До складу НБІКС-комплексу входять наукові лабораторії, в яких придумують і створюють нові матеріали. Також тут створені спеціалізовані ресурсні центри, оснащені за останнім словом техніки. Важливо, що лабораторії і ресурсні центри - в крокової доступності.

Як це працює, можна проілюструвати на прикладі новітніх матеріалів для медицини. Оскільки організм часто може відторгати донорські органи, потрібно пересаджувати людині штучні тканини, максимально "ідентичні" своїм власним. Але де взяти запасне легке або півметра нових судин? Ось тут біологам на допомогу приходять нанотехнології. У відділі нанобіоматеріалов і структур розроблені каркаси шкіри, штучного легкого, штучної трахеї, штифтів для скріплення кісток з наперед заданими характеристиками і структурою. Одна з останніх розробок - нетканий волокнистий матеріал на основі колагену, на який вченим вдалося висадити клітини дихального епітелію.

Фото: портал Москва 24 / Антон Велікжаніна

По суті цей полімер являє собою синтетичний каркас, на який, як виноградна лоза на решітку, чіпляються нові клітини, взяті від самого пацієнта. Вони діляться і поступово "проростають" в обсязі всього каркаса, який через деякий час починає розкладатися. У підсумку приблизно в той час, коли клітини досить зміцніють, щоб сформувати стійку структуру, від полімеру не залишиться і сліду. І людина отримає не просто імплант, а по суті свій відновлений орган з пам'яттю унікальної архітектури колишнього, на основі своїх же клітин!

Однак мало створити каркас органу - потрібно ще переконатися, що все йде за планом, що клітини добре себе почувають і активно діляться, що структура матеріалу підходяща. Тобто потрібен "контроль якості". Для цих цілей ідеально підходять лабораторії ресурсного центру зондової та електронної мікроскопії "Нанозонд", куди ми і вирушаємо.

Фото: портал Москва 24 / Антон Велікжаніна

Звичайно, займаються тут не тільки цим - в кабінетах можна зустріти самих різних фахівців. Хтось досліджує напівпровідники, мікроелектроніку, взаємодія ліків з білками. Тут працюють навіть археологи та музейні фахівці, які, взаємодіючи з співробітниками "Курчатовський інститут", визначають точний вік і склад монети з розкопок або порівнюють мікроструктуру кольорового скла, вироблених в середині XVIII століття на першому художньо-промисловому підприємстві Росії, з сучасними аналогами.

Технології майбутнього базуються на принципах пріродоподобія, тобто на механізмах, "підглянутих" у природи. Їх розвиток відбувається на основі конвергенції (об'єднання) декількох, найбільш проривних на сьогоднішній день технологій: нанобіологіческіх, інформаційних та когнітивних. Такі технології мають на увазі злиття органіки і неорганики, включення інформаційних технологій, "пожвавлення" отриманих систем алгоритмами, що імітують процес роботи людського мозку.

Все це дозволить вже в найближчому майбутньому досягти безлічі революційних результатів практично у всіх галузях виробництва і наукового знання. Але щоб побудувати природоподобное техносферу, потрібно проникнути вглиб речовини і побачити процес створення того чи іншого матеріалу в динаміці і на субатомарному рівні. Розглядати це можна тільки за допомогою унікальних мегапріборов, які зібрані в Курчатовський комплексі НБІКС-природоподобное технологій (нано-, біо-, інфо- і когнітивних досліджень).

У комплексі ця унікальна суперсучасна комбінація мегаустановок дозволяє оперативно проводити необхідні дослідження за допомогою різних методик: рентгеноструктурного аналізу, різних методів синхротронного вивчення, Кріоелектронний мікроскопії, ядерно-магнітного резонансу та інших. А після вже можна приступити до відтворення систем живої природи для користі людини.

Але не будемо розпорошуватися і зупинимося сьогодні лише на біоіскусственних органах. Тим більше, як раз принесли зразки каркаса нового органу. Поки асистент готує їх, керівник ресурсного центру "Нанозонд" Михайло Пресняков розповідає, як саме все буде проходити.

"Ми можемо досліджувати сам каркас: чи достатньо він пористий, яка у нього структура. Це важливо, щоб клітини краще заселялися. Ми можемо також подивитися, як клітина приживається на каркасі, як вона виглядає через п'ять, сім, 30 днів. Можемо навіть зазирнути глибше і дізнатися, як змінюється структура живої клітини в процесі дорослішання ", - пояснив учений.

Фото: портал Москва 24 / Антон Велікжаніна

Щоб розгледіти клітку на рівні білків, її потрібно правильно підготувати. А точніше, правильно заморозити. Просто потримати в холодильнику недостатньо, адже тоді білки будуть псуватися і гинути. Тому вчені придумали хитру систему: в спеціальну чашку наливають рідкий азот, а в середині залишають вільне місце, в якому концентрують етан. Він заморожує буквально за лічені частки секунди. Так швидко, що лід навіть не встигає сформуватися в звичні кристали.

"Виходить так званий аморфний лід. Він не дає спотворень і дозволяє розглянути всю структуру, аж до субатомного рівня. Таким чином ми можемо відзняти білки з різних ракурсів і потім створити тривимірну модель окремого білка або навіть всієї клітини. Можемо зрозуміти, як вона влаштована і чи добре приживається ", - розповідає Михайло Пресняков.

Фото: портал Москва 24 / Антон Велікжаніна

Сам білок, до речі, навіть не встигає зрозуміти, що його заморозили, тому не гине і залишається в своєму природному стані. Препаровану клітку наносять на тонку сіточку, в діаметрі вона становить всього три міліметри, а осередки в ній розміром 20х20 мікрон. Або близько того ... в загальному, дуже маленькі. Її потрібно затиснути в пінцеті і помістити в спеціальний апарат, який і виробляє всі ці дії. До речі, установка унікальна, а її розробник цього року отримав Нобелівську премію.

Фото: портал Москва 24 / Антон Велікжаніна

Потім сіточки з замороженими зразками поміщають в спеціальний патронташ і відправляють, власне, на фотосесію. Забудьте про класичні мікроскопи і пробірки - сьогодні вчені працюють на складних комп'ютеризованих комплексах. А мікроскопи, що дозволяють заглянути в саму суть речовини, більше нагадують зовнішнім виглядом помісь холодильника і кавомашини.

Фото: портал Москва 24 / Антон Велікжаніна

Полімери можна розглянути на скануючому електронно-іонному мікроскопі Helios Nanolab 600i. Завантажуємо зразок, запускаємо сканування - і через деякий час перед нами постає структура синтетичного полімеру, який заселяють стовбуровими клітинами. Він, як колагенові волокна, на які кріпляться клітини природного епітелію людини.

"Ми бачимо, що відстані між волокнами великі - це добре, клітинам буде зручніше ділитися і розвиватися. Якщо клітці не сподобається середу, вона буде" ошаріваться ", тобто підтискати під себе відростки, сворачиваясь, як їжачок. І в кінцевому підсумку не стане розвиватися ", - зазначає наш співрозмовник.

Фото: портал Москва 24 / Антон Велікжаніна

Але з цим зразком все добре. Отже, підстава досить якісне, а що ж самі клітини? Їх ми будемо розглядати за допомогою просвічує електронного кріомікроскопії Titan Krios 60-300. Це величезний триметровий шафа, який займає цілу кімнату! Ймовірно, це найбільший мікроскоп! Сам апарат знаходиться всередині, а то, що ми бачимо зовні, - кожух, що захищає його від будь-яких зовнішніх факторів, які можуть призвести до перешкод і позначитися на якості знімків.

Фото: портал Москва 24 / Антон Велікжаніна

З органікою працювати складніше, але апарат здатний не тільки фотографувати. У ньому вбудована кріокамера, де зразки можуть зберігатися якийсь час. Установка споживає 30 літрів рідкого азоту в добу! Його автоматично подають за спеціальним рукаву. Це дуже до речі, тому що часто буває так: відзняли все, витратили кілька годин, а частина знімків або навіть все абсолютно не підходять. Тоді доводиться повторювати процедуру заново - але не потрібно готувати новий зразок, можна продовжити роботу зі старим.

Фото: портал Москва 24 / Антон Велікжаніна

На зйомку може піти цілий день або навіть не один! Результат всіх зусиль - тривимірна модель білка, на якій видно всі атоми і субатомні елементи. Вчений може розглянути її з усіх боків, зрозуміти, як вона влаштована. І навіть простежити, як вона розвивається. Клітка епітелію, яку розглядали ми, цілком життєздатна - вона радісно тягне відросток і хоче закріпитися в новому "житло". Що ж, цей орган напевно пройде контроль якості. І, ймовірно, буде довгі роки служити своєму господареві.

Воловатов Віталій