Первых магистров по биофотонике выпустил Томский госуниверситет. Возможно, они будут участвовать в главных научных открытиях ближайшего будущего, ведь именно в биофизике их пророчат особенно много. Чем связаны изучение спутника Сатурна и болезни Альцгеймера и как томичи учатся диагностировать рак "с первой клеточки" – в материале Елены Тайлашевой.

Предсказание свойств

Поиски "новой Земли" в космосе ученые ведут давно. Один из объектов, к которому приковано их внимание, – спутник Сатурна Титан. У него, как и у Земли, есть плотная атмосфера, погодные циклы, хотя на поверхности находятся метан-этановые реки и озера, а вместо облаков из водяного пара – метановые.

– Несмотря на низкую температуру, Титан сопоставляют с Землей на ранних стадиях развития, и нельзя исключать, что на спутнике возможно существование простейших форм жизни, в частности, в подземных водоемах, где условия могут быть гораздо комфортнее, чем на поверхности, – рассказывает Виктор Черепанов, доктор физико-математических наук, завкафедрой оптики и спектроскопии физического факультета ТГУ.

Среды таких планет слабо изучены, и разные научные группы сейчас заняты их моделированием, например, во Франции действует многолетняя исследовательская программа по атмосфере Титана. В 2007 году в рамках совместной аспирантуры ТГУ и Бургундского университета выпускницы ФФ ТГУ Юлии Калугиной томские физики присоединились к этой программе, с тех пор в ТГУ стало активно развиваться новое направление:

Один из инструментов исследований таких сред – квантовая химия, которая позволяет расчетным путем определить свойства молекул (органических, сложных, любых!), необходимых для моделирования любых сред, в том числе инопланетных, формируемых этими молекулами. Перед Юлей была поставлена задача освоить неэмпирические методы квантовой химии.

– Практически одновременно в Университет Хельсинки отправился второй аспирант, Рашид Валиев, где ему удалось освоить, развить и применить ab initio методы квантовой химии к исследованию фотофизики и магнитно-индуцированных свойств сложных органических и металлоорганических молекулярных соединений, – рассказывает Черепанов.

Это стало логичным продолжением давно заложенного вектора: в СФТИ ТГУ, в отделе фотоники молекул, в группе Георгия Майера и Виктора Артюхова ранее развивались методы полуэмпирической квантовой химии для расчетов фотофизичеких процесов органических молекул для создания активных лазерных сред, а также фотохимических процессов.

Звезды сошлись

Примерно в то же время, когда аспиранты осваивали за границей новые методы квантовой химии, в ТГУ появился суперкомпьютер, и в распоряжении ученых оказались мощные вычислительные ресурсы, а также современные квантово-химические пакеты программ.

С другой стороны, появилась лаборатория биофотоники, где под руководством Юрия Кистенева исследовались методы визуализации биологических тканей и спектральные методы диагностики заболеваний (например, по спектрам выдыхаемого воздуха, испарений с кожи). В этой лаборатории были созданы уникальные методы математической обработки измерений изображений и спектров молекул биологических объектов.

– Учитывая все эти факторы – развитие методов визуализации и квантовой химии, доступ к вычислительным ресурсам, наличие в Томске школ по фотонике молекул, молекулярной спектроскопии, мы решили открыть на физфаке в рамках магистратуры учебный модуль по биофотонике. Изучение рынка показало, что специалисты по биофотонике сейчас очень востребованы, их зарплаты находятся на верхней планке, спрос на них стремительно растет, – вспоминает Виктор Черепанов.

Однако быстро стало ясно, что задачи, которые предстоит решать выпускникам магистратуры по направлению "биофотоника", выходят за рамки факультета. Поэтому было принято решение открыть автономную магистерскую программу (АМП) по биофотонике в рамках САЕ Института биомедицины ТГУ. 

– Открытие отдельной программы позволило более четко сориентировать студентов на задачи биомедицины. Плюс появились возможности более тесного сотрудничества с другими АМП этого САЕ, – рассказывает Черепанов, ставший руководителем программы.

Поймай меня

Все основные открытия в мире совершаются в междисциплинарных областях, но именно в биофизике стоит ждать громких открытий ближайших лет. Это будут исследования, которые выведут медицину на новый уровень. В частности, у биофотоники, по словам Виктора Черепанова, первейшая задача – это диагностика опасных заболеваний на ранних стадиях:

– Когда только-только организовалась клетка (например, раковая), надо ее детектировать физическими методами (нас больше интересуют оптические или спектральные методы как наиболее чувствительные, хотя есть и другие) и предпринять меры. Сейчас это зачастую происходит слишком поздно, когда процесс уже нельзя прекратить – только приостановить.

Он поясняет, что сейчас их коллектив решает два аспекта этой проблемы. С одной стороны, это визуализация – нужно увидеть, что происходит в организме.

В этой связи представляют интерес апконверсные наночастицы, разрабатываемые Рашидом Валиевым совместно с коллегами из Университета Стокгольма. Под воздействием инфракрасного излучения такие частицы начинают "светиться" в видимом диапазоне, что вызывает флуоресценцию исследуемых молекул в ткани вблизи этих наночастиц.

– Это позволяет использовать их для биовизуализации: вводить глубоко в биоткань и изучать оптическими методами ее структуру и состав изнутри. С другой стороны, методами спектроскопии, в том числе с помощью квантовой химии, можно исследовать молекулярный состав и с этой точки зрения понять, как воздействовать, – рассказывает Черепанов.

Он подчеркивает: сейчас одно из самых перспективных направлений – это не просто биофизика, а биофизика мозга.

– Два года назад в ТГУ приезжал академик Михаил Угрюмов (Институт биологии развития имени Н.К. Кольцова РАН) и делал доклад по нейродегенеративным болезням. По его словам, до сих пор ни один человек не вылечился от нейродегенеративных заболеваний типа Паркинсона или Альцгеймера. Если мы сможем добыть визуальную информацию из глубоких слоев мозга, поймем, что происходит на молекулярном уровне при развитии этих болезней, то, надеюсь, сможем подступиться совместно с медиками и к методам лечения, – подытоживает ученый.

РИА Томск, Елена Тайлашева

Фото предоставил Виктор Черепанов