СМИ о нас

12-16 июля 2022 года в Самаре прошла II Международная конференция по физико-химии горения и процессов в экстремальных средах ComPhysChem’22.

Открыл конференцию председатель программного и организационного комитетов, директор СФ ФИАН доктор физ.–мат. наук В.Н. Азязов. Он приветствовал участников конференции - студентов, аспирантов, молодых ученых и ведущих научных сотрудники из Самары, Москвы, Новосибирска, Томска, Черноголовки и др. городов.

 
На открытии конференции выступили первый проректор – проректор по научной работе Самарского научно-исследовательского университета доктор тех. наук А.Б. Прокофьев и председатель Российской секции Международного Института горения доктор физ.–мат. наук профессор Н.Н. Смирнов.

Представитель Физического института имени П.Н. Лебедева РАН В.В. Губернов приветствовал участников от лица руководства института. Он отметил, что направление тематики конференции - чрезвычайно перспективное.

"Химическая кинетика охватывает очень широкий спектр явлений и касается не только переработки топлив, но и таких фундаментальных вопросов как возникновение органических соединений во Вселенной, и, может быть, самой жизни. За этой тематикой большое будущее".

В конференции приняли участие более 70 ученых, которые представили практически все университеты и научные организации России, занимающиеся исследованиями в области физики и химии горения, а также исследующие проблемы кинетики и динамики реакций в экстремальных условиях.

Международный статус конференции подтвердился большим количеством докладов по результатам исследований, выполненных международными коллективами с участием исследователей из США, Германии, Китая.

С приглашенными докладами выступили профессор, доктор физ.–мат. наук Н.Н. Смирнов, сотрудник ФНЦ ФНИИСИ РАН (Москва), председатель Российской секции Международного Института горения (Combustion Institute) и доктор хим. наук А.Г. Шмаков, зав. лаборатории кинетики процессов горения Института химической кинетики и горения им. В.В. Воеводского СО РАН (Новосибирск).

ФИАН был представлен докладами заместителя директора по научной работе кандидата физ.-мат. наук А.В. Колобова, помощника директора по работе с молодежью доктора физ.–мат. наук В.В. Губернова, а также устными и стендовыми докладами аспирантов ФИАН и научных сотрудников СФ ФИАН.

 

Организаторами конференции выступили Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН, Самарский университет, Российская секция Международного института горения. Мероприятие прошло в рамках Мегагранта «Возникновение и эволюция органических соединений в нашей Галактике» (соглашение между Министерством науки и высшего образования Российской Федерации и ФИАН № 075-15-2021-597 от 2 июня 2021 г).

Источник: ФИАН

https://www.atomic-energy.ru/news/2022/07/25/126698

«Научная Россия» продолжает цикл лекций члена-корреспондента РАН, директора Физического института им. П.Н. Лебедева РАН (ФИАН) Николая Николаевича Колачевского. Ранее мы уже рассказывали о загадке зарядового радиуса протона — одной из важных проблем физики последнего десятилетия, а также об оптических ядерных часах. А сегодня речь пойдет об ионном квантовом компьютере.

Почему ионная платформа считается наиболее качественной из всех существующих для создания квантового компьютера? Зачем ученые ждут появления квантового транзистора и как работает единственный в России ионный квантовый компьютер ФИАН? На эти и многие другие вопросы Николай Колачевский отвечает в своей лекции.

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ:

• Интервью Н.Н. Колачевского для портала «Научная Россия»
• РАН: директор ФИАН рассказал о прототипе ионного квантового компьютера
• Движение без сопротивления. // В мире науки, №3, 2019.

Лекция проведена при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ и Российской академии наук.

В видео использованы фото и иллюстрации с сайтов intel.newsroom, https://ppt-online.org, фотобанк 123RF

Автор Янина Хужина
Фотограф Елена Либрик
Оператор Алексей Корноухов

https://scientificrussia.ru/articles/ionnyj-kvantovyj-komputer-lekcia-cl-korr-ran-nikolaa-kolacevskogo

Студент Института математического моделирования и игропрактики ПсковГУ Даниил Толбухин стал участником форума «Физика» в рамках олимпиады «Я = профессионал» на площадке Московского физико-технического института. Об этом Псковскому агентству информации сообщили в пресс-службе ПсковГУ.

На форуме студентам рассказали о синхротронных и междисциплинарных исследованиях научного центра Курчатовского института, Ван-дер-Ваальсовых гетероструктурах, разработке устройств энергонезависимой памяти при помощи новых материалов, а также о проблеме климатических изменений, происходящих на нашей планете, и их последствиях.

Кроме того, присутствующие заслушали лекции о структурной биологии, об атмосфере Венеры и применении синхротронного излучения в биологических исследованиях.

В рамках мероприятия также состоялся «Научный джем», на котором у студентов была возможность в дружеской и неформальной обстановке пообщаться с действующими учёными из разных областей. Гостями этой встречи стали известные учёные МФТИ и базовых институтов по разным направлениям науки от вычислительной и экспериментальной физики до теоретической и математической физики.

В течение следующих дней у ребят была возможность познакомиться с другими значимыми научными вопросами: они узнали, сколько нужно астрономов, чтобы увидеть чёрную дыру, как зовут самого известного кота квантовой механики и как учёные изучают наши клетки.

Завершился форум экскурсией по одному из крупнейших и старейших научно-исследовательских центров России – Физическому институту имени П. Н. Лебедева РАН.

https://informpskov.ru/news/395070.html

Студент Института математического моделирования и игропрактики ПсковГУ Даниил Толбухин стал участником форума «Физика» в рамках олимпиады «Я-профессионал» на площадке Московского физико-технического института. Мероприятие проходило с 4 по 8 июля.

На форуме студентам рассказали о синхротронных и междисциплинарных исследованиях научного центра Курчатовского института, Ван-дер-Ваальсовых гетероструктурах, разработке устройств энергонезависимой памяти при помощи новых материалов, а также о проблеме климатических изменений, происходящих на нашей планете, и их последствиях.

Кроме того, присутствующие заслушали лекции о структурной биологии, об атмосфере Венеры и применении синхротронного излучения в биологических исследованиях.

В рамках мероприятия также состоялся «Научный джем», на котором у студентов была возможность в дружеской и неформальной обстановке пообщаться с действующими учёными из разных областей. Гостями этой встречи стали известные учёные МФТИ и базовых институтов по разным направлениям науки от вычислительной и экспериментальной физики до теоретической и математической физики.

В течение следующих дней у ребят была возможность познакомиться с другими значимыми научными вопросами: они узнали, сколько нужно астрономов, чтобы увидеть черную дыру, как зовут самого известного кота квантовой механики и как учёные изучают наши клетки.

Завершился форум экскурсией по одному из крупнейших и старейших научно-исследовательских центров России – Физическому институту им П.Н. Лебедева РАН.

https://iluki.ru/news/student-pskovgu-pobyval-na-forume-fizika-v-mfti

Фото: телеграмм-канал СКИФ

Новосибирская область вошла в топ-5 регионов Архипелага 2022, чьи проекты были высоко оценены на совещании с участием членов Комиссии по направлению «Наука» Госсовета РФ и экспертами НТИ.

Команда Новосибирской области вошла в пятерку лучших региональных делегаций проектно-образовательного интенсива «Архипелаг 2022», завершившегося в Севастополе. Регион представлял два проекта, один из них «К технологическому суверенитету через синергию ВЕКТОР+СКИФ и развитие инфраструктуры наукограда Кольцово».

Делегация региона во главе с министром науки и инновационной политики Вадимом Васильевым представила ряд проектов, получивших высокую оценку федеральных экспертов.

В «Архипелаге-2022», проходившем в Севастополе, приняли участие представители 83 регионов страны, команды 128 вузов и более тысячи стартапов, а также специалисты 205 индустриальных партнеров. На закрытии мероприятия были объявлены 5 регионов, чьи проекты были высоко оценены на совещании с участием членов Комиссии по направлению «Наука» Государственного совета Российской Федерации и экспертами НТИ.

В числе критериев, по которым оценивались проекты, – ориентированность на значимые для страны отрасли, наличие сильных партнеров, повышение качества жизни на территории по результатам реализации проекта.

Новосибирская область удостоена высокой оценки за проекты «К технологическому суверенитету через синергию ВЕКТОР+СКИФ и развитие инфраструктуры наукограда Кольцово» и «Разработка штаммов-продуцентов для крупнотоннажного производства критических ферментов для АПК, нефтяной и химической отраслей» («Промбиотех»).

Представляем сильнейшие проекты: 

1. Калужская область, город Обнинск. Проект «ФармОстров» – создание независимого фармацевтического кластера Калужской области для обеспечения безопасности жителей России и дружественных стран.
2. Новосибирская область. Проекты «К технологическому суверенитету через синергию ВЕКТОР+СКИФ и развитие инфраструктуры наукограда Кольцово» и «Разработка штаммов-продуцентов для крупнотоннажного производства критических ферментов для АПК, нефтяной и химической отраслей».
3. Москва. Модель Сетевого университета фундаментальных наук и технологий на примере консорциума Университета 20.35, НИЯУ МИФИ и научно-образовательного парка ФИАН, город Троицк.
4. Сахалинская область. Центр инжиниринга с опытным полигоном «Восточного водородного кластера».
5. Пермский край. Обеспечение энергетической и инфраструктурной безопасности за счет технологий фотоники: от безопасности к новым рынкам.

Иван Миловзоров

https://vn.ru/news-region-predstavil-silneyshiy-proekt-na-obrazovatelnom-intensive-arkhipelag-2022/

Ученым из Физического института имени П.Н. Лебедева РАН удалось «сварить» патогенные бактерии — золотистый стафилококк и синегнойную палочку — с помощью лазера среднего инфракрасного диапазона. Эксперимент показал, что свет этой длины волны разрывает водородные связи в молекулах белков и нуклеиновых кислот, так что бактерия теряет активность и способность к размножению. Этот способ обеззараживания может стать удобным вариантом для быстрой бесконтактной стерилизации продуктов, дезинфекции в больницах и на пищевых производствах, а в перспективе, возможно, позволит создать портативный световой обеззараживатель.

«Мы показали, как на практике воздействует на бактерии лазерное излучение среднего инфракрасного диапазона с длинами волны три и шесть микрометров. Выяснилось, что при этом в клетке возникают резонансные колебания молекулярных связей в основных элементах структуры клетки: в C-N связях белков и нуклеиновых кислот при воздействии излучением с длиной волны шесть микрон и C-H связей углеродного скелета - под действием излучения три микрона», — говорит сотрудник лаборатории лазерной нанофизики и биомедицины ФИАН Светлана Шелыгина.

Широкое применение антибиотиков привело к тому, что сегодня в мире растет доля микроорганизмов, устойчивых к ним. Антибактериальные средства становятся все менее эффективными, поэтому становится актуальным поиск «физических» методов обеззараживания, решающих проблему резистентности микроорганизмов без применения токсичных химических средств.

Химические дезинфицирующие средства разрушают надструктуру белков и других основных компонентов клеточной оболочки, нарушая клеточный метаболизм, но они могут быть токсичными и для человека. Обработка ультрафиолетом ведет к фотолитическму или фотохимическому повреждению молекул клеток: УФ-облучение разрушает ДНК путем прямого воздействия или благодаря образованию димеров циклобутана и пиримидин-(6-4)-пиримидиновых фотопродуктов. Таким образом, оно вызывает мутации ДНК и инактивирует микроорганизмы.

Однако ультрафиолет оказывает разрушительное действие и на ДНК клеток млекопитающих и может спровоцировать развитие меланомы. Кроме того, некоторые виды бактерий способны «чинить» ДНК путем экспрессии фермента ДНК-фотолиазы, который сводит к нулю воздействие ультрафиолета. Поэтому два эти традиционные средства нельзя применять повсеместно, и ученые изучают другие диапазоны длин волн.

Большой интерес представляет именно средний инфракрасный диапазон, поскольку такое излучение избирательно вызывают колебания молекулярных связей жизненно важных структур микроорганизмов. Ученые уже не раз демонстрировали пагубное воздействие среднего ИК-излучения на микроорганизмы от источников тепла, например инфракрасных ламп при температуре свыше 1000 градусов. Применение лазерных источников для этих целей может быть очень эффективными благодаря высокой интенсивности лазерного излучения, использующего только нужную для воздействия длину волны.

ИК-Фурье-спектр оптической плотности бактерий P. aeruginosa толщиной 1,5 мкм (левая ось) и спектры интенсивности лазерных импульсов с длиной волны 3 мкм и 6 мкм (правая ось)

В ходе исследования ученые помещали бактерии культур золотистого стафилококка и синегнойной палочки на подложку из фторида кальция толщиной 1 миллиметр и облучали фемтосекундными лазерными импульсами среднего ИК-диапазона с длиной волны 3 и 6 микронов. Эти длины волн соответствуют частотам колебаний амидных групп белков и нуклеиновых кислот (6 микрон) и С-H колебаний углеродного скелета, наиболее распространенной связи для всех биополимеров (3 микрона).  

Длительность импульса составляла 130 фемтосекунд, энергия импульса — до 4 микроджоулей, а частота — 1 килогерц. Затем ученые получали динамические спектры оптической плотности излучения бактерий. Для обеих бактериальных культур спектры показали синий спектральный сдвиг и просветление образцов в спектральном диапазоне характерных колебаний связей С-N и C-H. С-N связи входят в состав белков и нуклеиновых кислот, тогда как C-H связи являются наиболее распространенными связями во всех биополимерах и относительно равномерно распределены по всему объему бактериальной клетки.

«В спектрах при разрыве водородных связей наблюдаются сдвиг полос в сторону более коротких длин волн. Это обычное явление, причем не только в бактериальных клетках. Наличие синего сдвига говорит о том, что внутри бактерии рвутся водородные связи. Таким образом меняется вторичная и третичная структура белков, происходит денатурация. Одновременно мы наблюдали падение числа колониеобразующих единиц до нуля», — говорит Светлана Шелыгина.

Таким образом, облучение инактивирует микроорганизмы, разрушая жизненно важные структурные единицы бактериальной клетки: ДНК, РНК, белки и клеточную стенку. Белки в бактериях наиболее сильно подвергаются облучению, что приводит к их денатурации. Наблюдаемое динамическое ИК-лазерное просветление бактериальных культур указывает на возможность доставки излучения на большую глубину, что, как предполагают ученые, позволит применять среднее ИК-излучение для лечения злокачественных опухолей. В перспективе ученые хотят создать портативный ИК-обеззараживатель, но для этого требуется достаточно мощный компактный лазерный источник.

Такую технологию можно было бы использовать в пищевой промышленности для бесконтактной дезинфекции продуктов через прозрачную упаковку, помещений и инструментов, в медицине для стерилизации инструмента и обработки ран, причем даже глубоких, так как излучение среднего ИК-спектра не обладает мутагенными свойствами. Возможно, когда-нибудь у каждого из нас будет свой портативный ИК-обеззараживатель, с помощью которого можно будет быстро стерилизовать любую поверхность.

Основные результаты опубликованы в журнале Biomedical Optics Express (показана антибактериальная активность излучения, проведено микробиологическое исследование образцов), в Laser Physics Letters и «Письмах в ЖЭТФ» (исследованы динамические спектры пропускания лазерных импульсов слоем бактерий, для которых наблюдался «синий сдвиг» спектра лазерного импульса для образца с нанесенным слоем бактерий относительно образца без бактерий, который связан с разрывом водородных связей, отвечающих за разрушение вторичной и третичной структуры белков и нуклеиновых кислот).

Источник: ФИАН

https://www.atomic-energy.ru/news/2022/07/14/126366

Образовательный форум по физике МФТИ прошёл в Москве с 4 по 8 июля в рамках Всероссийской студенческой олимпиады «Я - профессионал». Участники в течение 5 дней слушали лекции ведущих ученых и практиков в области физики, участвовали в интенсивах и Физхакатоне. А в заключительный день форума молодые учёные посетили крупнейший научно-исследовательский центр России - Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН.

Участники форума познакомились с результатами актуальных исследований в области физики и уникальными установками, встретились с ведущими учеными и узнали, насколько востребованы их знания физики для развития науки и где их можно реализовать на практике.

Помощник директора ФИАН по научной работе, профессор С.Ю. Савинов в своем вступительном слове рассказал участникам экскурсии о нобелевских лауреатах и истории развития Физического института, научных исследованиях ФИАН и его влиянии на науку в России и в мире.

Ведущий научный сотрудник Лаборатории проблем физики космоса В.С. Бескин обсудил с молодыми учеными современные проблемы теоретической физики и астрофизики. А также продемонстрировал новые подходы к решению актуальных астрофизических задач и рассказал о черных дырах и динамомашине в космосе.

На экскурсии участники образовательного форума познакомились с лабораториями Отделения физики твердого тела, Отделения квантовой радиофизики, Отделения ядерной физики и астрофизики, Центра высокотемпературной сверхпроводимости и квантовых материалов им. В.Л. Гинзбурга ФИАН.

В отделе твердотельной фотоники ОФТТ сотрудники Физического института продемонстрировали в рабочем режиме современные системы, которые предназначены для получения большинства современных полупроводниковых приборов. В том числе установку, в которой для визуализации внутренней структуры твердого тела используются гиперзвуковые волны.

В Центре лазерных и нелинейно-оптических технологий ОКРФ участники форума познакомились с Лабораторией лазерной нанофизики и биомедицины, в которой ведутся исследования в области взаимодействия лазерного излучения с веществом, включая наноструктурирование поверхностей, воздействие на биоткани и др.; с  Лабораторией фемтосекундной нелинейной оптики, сотрудники которой ведут исследования филаментации лазерных импульсов в газовых и конденсированных средах, создании протяженных плазменных каналов в воздухе и др.; с Лабораторией газовых лазеров и ее основными направлениями исследований: молекулярные, эксимерные лазеры, и их использование.

Сотрудники Отдела лазерной плазмы рассказали об основных научных направлениях: исследование взаимодействия лазерного излучения с веществом, гидродинамических, радиационных и кинетических процессов в импульсной высокотемпературной плазме для решения задач лазерного термоядерного синтеза и создания источников излучения и корпускулярных потоков с контролируемыми характеристиками.

В Отделе физики высоких плотностей энергии ОЯФА студентам показали установку «Эрг», позволяющей в лабораторных условиях увидеть молнию. Участники экскурсии познакомились с современными диагностиками: многоканальные детекторы жестких излучений, лазерное зондирование, измерение вч и свч излучений, сверхскоростная съемка с наносекундным разрешением.

Физический институт им. Лебедева является базовой организацией трёх кафедр и двух образовательных программ магистратуры ЛФИ МФТИ по направлению подготовки «Прикладные математика и физика». В рамках данного направления сотрудники ФИАН руководят научной работой студентов и преподают специальные дисциплины.

Источник: ФИАН

https://www.atomic-energy.ru/news/2022/07/14/126365

Ученые из П.Н. Лебедева РАН удалось «сварить» болезнетворные бактерии — золотистый стафилококк и синегнойную палочку — с помощью лазера среднего инфракрасного диапазона. Эксперимент показал, что свет этой длины волны разрывает водородные связи в молекулах белков и нуклеиновых кислот, вследствие чего бактерии теряют свою активность и способность к размножению. Подробнее об эксперименте «Газете.Ru» рассказали в пресс-службе института.

Мы показали, как лазерное излучение среднего инфракрасного диапазона с длинами волн в три и шесть микрометров действует на бактерии на практике. Оказалось, что при этом в клетке происходят резонансные колебания молекулярных связей в основных элементах клеточной структуры: в связях C-N белков и нуклеиновых кислот при воздействии излучения с длиной волны шесть микрон, и связях C-H углеродного скелета — под воздействием трехмикронного излучения, — сообщила «Газете.Ru» Светлана Шелыгина, сотрудник лаборатории лазерной нанофизики и биомедицины Института Лебедева РАН..

В ходе исследования исследователи поместили бактерии Staphylococcus aureus и Pseudomonas aeruginosa на подложку из фтористого кальция толщиной 1 миллиметр и облучили их фемтосекундными лазерными импульсами среднего ИК-диапазона с длиной волны 3 и 6 микрон. Эти длины волн соответствуют частотам колебаний амидных групп белков и нуклеиновых кислот (6 мкм) и колебаниям С-Н углеродного скелета, наиболее распространенной связи для всех биополимеров (3 мкм).

Исследователи пояснили, что облучение инактивирует микроорганизмы и разрушает жизненно важные структурные единицы бактериальной клетки: ДНК, РНК, белки и клеточную стенку. Белки в бактериях наиболее сильно подвергаются облучению, что приводит к их денатурации. Наблюдаемая динамическая ИК-лазерная очистка бактериальных культур предполагает возможность доставки излучения на большую глубину, что, по прогнозам исследователей, позволит использовать излучение среднего ИК-диапазона для лечения злокачественных опухолей. В будущем ученые хотят создать портативное инфракрасное обеззараживающее устройство, но для этого требуется достаточно мощный компактный лазерный источник.

Данная технология может быть использована в пищевой промышленности для бесконтактной дезинфекции продуктов через прозрачную упаковку, помещения и инструменты, в медицине для стерилизации инструментов и обработки ран, даже глубоких ран, так как излучение среднего ИК-диапазона не оказывает мутагенного действия. характеристики.

Результаты работы опубликованы в журналах Biomedical Optics Express и Laser Physics Letters.

https://grodno24.com/2022/07/svarili-bakterii-lazerom.html

Образовательный форум по физике МФТИ прошёл в Москве с 4 по 8 июля в рамках Всероссийской студенческой олимпиады «Я - профессионал». Участники в течение 5 дней слушали лекции ведущих ученых и практиков в области физики, участвовали в интенсивах и Физхакатоне. А в заключительный день форума молодые учёные посетили крупнейший научно-исследовательский центр России - Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН.

Участники форума познакомились с результатами актуальных исследований в области физики и уникальными установками, встретились с ведущими учеными и узнали, насколько востребованы их знания физики для развития науки и где их можно реализовать на практике.

Помощник директора ФИАН по научной работе, профессор С.Ю. Савинов в своем вступительном слове рассказал участникам экскурсии о нобелевских лауреатах и истории развития Физического института, научных исследованиях ФИАН и его влиянии на науку в России и в мире.

Ведущий научный сотрудник Лаборатории проблем физики космоса В.С. Бескин обсудил с молодыми учеными современные проблемы теоретической физики и астрофизики. А также продемонстрировал новые подходы к решению актуальных астрофизических задач и рассказал о черных дырах и динамомашине в космосе.

На экскурсии участники образовательного форума познакомились с лабораториями Отделения физики твердого тела, Отделения квантовой радиофизики, Отделения ядерной физики и астрофизики, Центра высокотемпературной сверхпроводимости и квантовых материалов им. В.Л. Гинзбурга ФИАН.

В отделе твердотельной фотоники ОФТТ сотрудники Физического института продемонстрировали в рабочем режиме современные системы, которые предназначены для получения большинства современных полупроводниковых приборов. В том числе установку, в которой для визуализации внутренней структуры твердого тела используются гиперзвуковые волны.

В Центре лазерных и нелинейно-оптических технологий ОКРФ участники форума познакомились с Лабораторией лазерной нанофизики и биомедицины, в которой ведутся исследования в области взаимодействия лазерного излучения с веществом, включая наноструктурирование поверхностей, воздействие на биоткани и др.; с  Лабораторией фемтосекундной нелинейной оптики, сотрудники которой ведут исследования филаментации лазерных импульсов в газовых и конденсированных средах, создании протяженных плазменных каналов в воздухе и др.; с Лабораторией газовых лазеров и ее основными направлениями исследований: молекулярные, эксимерные лазеры, и их использование.

Сотрудники Отдела лазерной плазмы рассказали об основных научных направлениях: исследование взаимодействия лазерного излучения с веществом, гидродинамических, радиационных и кинетических процессов в импульсной высокотемпературной плазме для решения задач лазерного термоядерного синтеза и создания источников излучения и корпускулярных потоков с контролируемыми характеристиками.

В Отделе физики высоких плотностей энергии ОЯФА студентам показали установку «Эрг», позволяющую в лабораторных условиях увидеть молнию. Участники экскурсии познакомились с современными диагностиками: многоканальные детекторы жестких излучений, лазерное зондирование, измерение ВЧ и СВЧ-излучений, сверхскоростная съемка с наносекундным разрешением.

Физический институт им. Лебедева является базовой организацией трёх кафедр и двух образовательных программ магистратуры ЛФИ МФТИ по направлению подготовки «Прикладные математика и физика». В рамках данного направления сотрудники ФИАН руководят научной работой студентов и преподают специальные дисциплины.

Информация и фото предоставлены отделом по связям с общественностью ФИАН
Разместила Ирина Усик

https://scientificrussia.ru/articles/v-fian-prosla-ekskursia-dla-ucastnikov-foruma-po-fizike-mfti

Ученым из Физического института имени П.Н. Лебедева РАН удалось «сварить» патогенные бактерии — золотистый стафилококк и синегнойную палочку — с помощью лазера среднего инфракрасного диапазона. Эксперимент показал, что свет этой длины волны разрывает водородные связи в молекулах белков и нуклеиновых кислот, так что бактерия теряет активность и способность к размножению. Этот способ обеззараживания может стать удобным вариантом для быстрой бесконтактной стерилизации продуктов, дезинфекции в больницах и на пищевых производствах, а в перспективе, возможно, позволит создать портативный световой обеззараживатель.

«Мы показали, как на практике воздействует на бактерии лазерное излучение среднего инфракрасного диапазона с длинами волны три и шесть микрометров. Выяснилось, что при этом в клетке возникают резонансные колебания молекулярных связей в основных элементах структуры клетки: в C-N связях белков и нуклеиновых кислот при воздействии излучением с длиной волны шесть микрон и C-H связей углеродного скелета - под действием излучения три микрона», — говорит сотрудник лаборатории лазерной нанофизики и биомедицины ФИАН Светлана Шелыгина.

Широкое применение антибиотиков привело к тому, что сегодня в мире растет доля микроорганизмов, устойчивых к ним. Антибактериальные средства становятся все менее эффективными, поэтому становится актуальным поиск «физических» методов обеззараживания, решающих проблему резистентности микроорганизмов без применения токсичных химических средств.

Химические дезинфицирующие средства разрушают надструктуру белков и других основных компонентов клеточной оболочки, нарушая клеточный метаболизм, но они могут быть токсичными и для человека. Обработка ультрафиолетом ведет к фотолитическму или фотохимическому повреждению молекул клеток: УФ-облучение разрушает ДНК путем прямого воздействия или благодаря образованию димеров циклобутана и пиримидин-(6-4)-пиримидиновых фотопродуктов. Таким образом, оно вызывает мутации ДНК и инактивирует микроорганизмы.

Однако ультрафиолет оказывает разрушительное действие и на ДНК клеток млекопитающих и может спровоцировать развитие меланомы. Кроме того, некоторые виды бактерий способны «чинить» ДНК путем экспрессии фермента ДНК-фотолиазы, который сводит к нулю воздействие ультрафиолета. Поэтому эти два традиционные средства нельзя применять повсеместно, и ученые изучают другие диапазоны длин волн.

Большой интерес представляет именно средний инфракрасный диапазон, поскольку такое излучение избирательно вызывают колебания молекулярных связей жизненно важных структур микроорганизмов. Ученые уже не раз демонстрировали пагубное воздействие среднего ИК-излучения на микроорганизмы от источников тепла, например инфракрасных ламп, при температуре свыше 1000 градусов. Применение лазерных источников для этих целей может быть очень эффективным благодаря высокой интенсивности лазерного излучения, использующего только нужную для воздействия длину волны.

В ходе исследования ученые помещали бактерии культур золотистого стафилококка и синегнойной палочки на подложку из фторида кальция толщиной 1 миллиметр и облучали фемтосекундными лазерными импульсами среднего ИК-диапазона с длиной волны 3 и 6 микрон. Эти длины волн соответствуют частотам колебаний амидных групп белков и нуклеиновых кислот (6 микрон) и С-H колебаний углеродного скелета, наиболее распространенной связи для всех биополимеров (3 микрона). 

Длительность импульса составляла 130 фемтосекунд, энергия импульса — до 4 микроджоулей, а частота — 1 килогерц. Затем ученые получали динамические спектры оптической плотности излучения бактерий. Для обеих бактериальных культур спектры показали синий спектральный сдвиг и просветление образцов в спектральном диапазоне характерных колебаний связей С-N и C-H. С-N связи входят в состав белков и нуклеиновых кислот, тогда как C-H связи являются наиболее распространенными связями во всех биополимерах и относительно равномерно распределены по всему объему бактериальной клетки.

ИК-Фурье-спектр оптической плотности бактерий P. aeruginosa толщиной 1,5 мкм (левая ось) и спектры интенсивности лазерных импульсов с длиной волны 3 мкм и 6 мкм (правая ось)

«В спектрах при разрыве водородных связей наблюдается сдвиг полос в сторону более коротких длин волн. Это обычное явление, причем не только в бактериальных клетках. Наличие синего сдвига говорит о том, что внутри бактерии рвутся водородные связи. Таким образом меняется вторичная и третичная структура белков, происходит денатурация. Одновременно мы наблюдали падение числа колониеобразующих единиц до нуля», — говорит Светлана Шелыгина.

Таким образом, облучение инактивирует микроорганизмы, разрушая жизненно важные структурные единицы бактериальной клетки: ДНК, РНК, белки и клеточную стенку. Белки в бактериях наиболее сильно подвергаются облучению, что приводит к их денатурации. Наблюдаемое динамическое ИК-лазерное просветление бактериальных культур указывает на возможность доставки излучения на большую глубину, что, как предполагают ученые, позволит применять среднее ИК-излучение для лечения злокачественных опухолей. В перспективе ученые хотят создать портативный ИК-обеззараживатель, но для этого требуется достаточно мощный компактный лазерный источник.

Такую технологию можно было бы использовать в пищевой промышленности для бесконтактной дезинфекции продуктов через прозрачную упаковку, помещений и инструментов, в медицине для стерилизации инструмента и обработки ран, причем даже глубоких, так как излучение среднего ИК-спектра не обладает мутагенными свойствами. Возможно, когда-нибудь у каждого из нас будет свой портативный ИК-обеззараживатель, с помощью которого можно будет быстро стерилизовать любую поверхность.

Основные результаты опубликованы в журнале Biomedical Optics Express (показана антибактериальная активность излучения, проведено микробиологическое исследование образцов), в Laser Physics Letters и «Письмах в ЖЭТФ» (исследованы динамические спектры пропускания лазерных импульсов слоем бактерий, для которых наблюдался «синий сдвиг» спектра лазерного импульса для образца с нанесенным слоем бактерий относительно образца без бактерий, который связан с разрывом водородных связей, отвечающих за разрушение вторичной и третичной структуры белков и нуклеиновых кислот). 

Источник информации и фото: ФИАН
Разместила Ирина Усик

https://scientificrussia.ru/articles/fiziki-fian-svarili-bakterii-lazerom