Конвергенция наук и технологий знаменует новый этап научно-технического развития, создающий предпосылки для прорыва по целому ряду направлений. Курчатовский институт стоял у истоков развития ядерной энергетики, сначала в военных, а потом и в мирных целях. Поэтому здесь с середины прошлого века решали целый комплекс задач, развивая междисциплинарную науку, — вместе с физиками работали химики, биологи, генетики. Их совместная деятельность получила новый импульс несколько лет назад, когда по инициативе главы Национального исследовательского центра (НИЦ) «Курчатовский институт» Михаила Ковальчука был создан комплекс конвергентных НБИКС-технологий, объединивший нано-, био-, информационные, когнитивные и социогуманитарные направления исследований.
Для эффективной работы такого многообразия наук в НИЦ «Курчатовский институт» организовали отделение ресурсных центров.
— Теперь самое разнообразное сложное оборудование объединено в единой структуре, — рассказал руководитель отделения ресурсных центров Олег Акилин. — Ученые по заявкам могут пользоваться всем этим оборудованием, при этом им не нужно заботиться о поддержании приборов в рабочем состоянии, ремонте, запчастях, расходных материалах.
В восьми ресурсных центрах сосредоточено более 600 единиц уникальной техники. Четыре из этих центров занимаются биологией и медициной.
Умные материалы
Для лечения переломов используют штифты. Твердые конструкции фиксируют поврежденные кости, позволяя им постепенно срастаться. Но через несколько недель после установки штифтов измученному человеку нужна еще одна операция — по их удалению. Это причиняет неудобства пациенту, замедляет реабилитацию и увеличивает вероятность осложнений.
Штифты, которые растворяются после срастания костей, — не фантастическое будущее, а реальность. Вторая операция пациенту в этом случае не нужна. В ресурсном центре органических и гибридных материалов «Полимер» Курчатовского института разрабатывают материалы, из которых делают растворяющиеся штифты.
— Нужно подобрать правильный полимер, иначе он растворится слишком рано или, наоборот, долго «проживет» в теле человека, — рассказывает руководитель ресурсного центра «Полимер» Вячеслав Костромин.
Пробная партия таких устройств уже проходит доклинические испытания. Ученые надеются, что в ближайшее время они будут внедрены в медицинскую практику. В будущем специалисты планируют добавить в материал штифтов лекарства — для дополнительной терапии — это ускорит регенерацию костей и процесс восстановления.
В центре «Полимер» также создают искусственные органы человека. Например, больному с удаленной трахеей — из-за ранения или онкологического заболевания — будут пересаживать орган из биоразлагаемых материалов, который постепенно растворяется, обрастая собственными клетками организма. Конечно, это долгий процесс — трахея может восстанавливаться полгода, но в результате она будет состоять из клеток самого человека. А это значит, что не будет проблем, связанных с отторжением «чужого» органа, и сократятся сроки реабилитации пациента.
Еще одно применение биоразлагаемых материалов — лекарства пролонгированного действия. Действующее вещество помещают в постепенно растворяющийся материал — так оно небольшими дозами поступает в организм в нужном количестве.
В центре разрабатывают и искусственные сосуды, позволяющие хирургу во время операции «обойти» тромб или сужение сосуда пациента.
Крупные ожоги и другие повреждения больших участков кожи помогают лечить искусственные покрытия. Изобретение спасает в полевых условиях: специальным «пистолетом» покрытие наносят на ожог или рану, чтобы предотвратить потерю жидкости и инфицирование, а затем везут в больницу. Эта разработка будет полезна военным, службам МЧС, скорой помощи. Применение прибора не требует специальных медицинских знаний.
Светящийся мозг
Для исследования мозга в Курчатовском институте объединились физики, генетики, биологи, нейролингвисты, медики и психологи.
— Нейрофотоника и оптогенетика — пример конвергенции наук для создания новых нейротехнологий, — рассказала руководитель ресурсного центра нейрокогнитивных исследований «Нейрон» Ирина Зарайская. — В основе оптогенетики лежит возможность влиять на активность генетически измененных нервных клеток в нужное время и в нужной области мозга. Такие клетки в результате генетического кодирования стали светочувствительными. То есть, освещая мембрану клетки с помощью оптоволокон, погруженных в мозг, мы можем или активировать, или заставить «замолчать» эти клетки.
С помощью трансгенных технологий определенные гены нейронов мыши помечаются светящимися флуоресцентными белками — подобные есть у медуз и «светящихся» животных. Когда нужный ген активен, то клетка светится. В этот момент ученые могут наблюдать за такими клетками и сопоставлять с поведением мыши.
— Это совершенно уникальные технологии, которые позволяют ученым Курчатовского института исследовать и понимать, как работает мозг и его нейронные сети, — объяснила Ирина Зарайская.
Таким образом ученые ищут и новые методы лечения депрессий, а также болезней Альцгеймера, Паркинсона, посттравматических синдромов, нейротравм.
Что нельзя изучить на живом организме, то можно моделировать на искусственно созданных нейронных сетях. Взятые у мышей нейроны (клетки мозга) выращивают в миниатюрной чашке Петри (лабораторный сосуд, похожий на обычное блюдце), на дне которой находится мультиэлектродная матрица. Это дает возможность записывать активность нейронов и стимулировать их, а затем анализировать результаты. Для удобства работы с мозгом ученые нашли метод его «просветления». Органическое вещество становится прозрачным, что позволяет «окрашивать» мозг мыши на большую глубину и изучать структуры, не разрушая их.
Научиться «читать» мысли
В ресурсном центре ядерно-физических методов измерений «Когнимед» изучают нейроны мозга человека. Магнитно-резонансный томограф фиксирует реакцию человеческого мозга на разные стимулы — картинки, звуки и так далее. На томографе можно увидеть, как изменится активность головного мозга, его отделов и даже клеток при различных стимулах. При этом возбужденные и «отдыхающие» участки головного мозга ведут себя по-разному. Это позволяет понять принципы работы мозга, причины возникновения заболеваний, способы их диагностики и лечения.
— Ученые по реакции мозга научились восстанавливать картинку, которую видел человек, — пояснил руководитель центра «Когнимед» Алексей Кухтенков. — Это очень сложная и интересная задача, которая ранее не была решена.
Очень важно также изучить, что происходит в мозге при заболеваниях. Если ввести в организм глюкозу с радиоактивным изотопом, то по позитронно-эмиссионной томограмме можно диагностировать онкологическую патологию. Опухоль ярче других областей тела, она «поглощает» глюкозу, а с ней и радиоактивное вещество. Участки с плохим кровоснабжением из-за тромба, инфаркта или инсульта будут на томограмме, наоборот, темнее остальных.
Если увеличить дозу изотопа, можно уничтожить раковые клетки и вылечить онкологического больного.
— Эта методика на сегодняшний день — самый достоверный способ ранней диагностики опухолей и эффективный способ лечения. Наши специалисты разрабатывают новые препараты и новые методики диагностики заболеваний при помощи ПЭТ-томографа, — рассказал Алексей Кухтенков.
От гена до лекарства
В ресурсном центре молекулярной и клеточной биологии «Молбиотех» ученые проводят исследования в разных областях современной биологии. Центр был создан для разработки диагностических или лекарственных препаратов, которые могут стать прототипами (то есть препаратами сравнения) для доклинических исследований.
Научные разработки здесь дополняют друг друга. В комплексе структурной биологии можно выяснить строение отдельных белков и предположить их функцию в организме. Ученые могут проследить поведение различных веществ, и прежде всего лекарств, в организме животного или человека.
Оборудование комплекса иммунологии и клеточной биологии используется для определения влияния на иммунитет человека различных лекарств, вредных факторов окружающей среды, радиации. Эти данные затем применяются для разработки методов коррекции иммунитета, защиты от бактерий и вирусов.
— Мы можем получать наночастицы с заданными свойствами, — подчеркнул руководитель центра «Молбиотех» Павел Барановский. — Эти «умные частицы» могут нести в себе лекарственные препараты и медленно, в течение двух месяцев, выделять их, создавая постоянную концентрацию лекарства в плазме крови. Также они используются для адресной доставки лекарственных препаратов к конкретным больным органам или клеткам человека.
Оборудование геномного комплекса позволяет определять нуклеотидную последовательность различных биологических объектов. На этой основе ученые-биоинформатики восстанавливают геномы древних животных, сравнивают их и устанавливают ход эволюции или родственные связи между организмами, отдельными этническими группами.
Такое специальное оборудование используют не только для исследований в фармакологии, биологии и медицине, а, например, для экспертизы археологических артефактов. При раскопках в Татарстане обнаружили глиняные горшки конической формы, назначение которых археологи не могли определить. А ученые ресурсного центра «Молбиотех» по остаткам вещества на стенках установили, что это были «аптечки» XIV века: в них хранили смолу хвойных деревьев, обладающую антисептическими свойствами и применяемую для заживления ран.
Атомы на ладони
Современные мощные микроскопы в ресурсном центре зондовой и электронной микроскопии «Нанозонд» дают возможность ученым разобраться в том, как устроены вирусы, и понять — как на них воздействуют современные противовирусные препараты. Исследование вирусов, белков и клеток позволяет понять, как модифицировать лекарства.
— Сейчас мы можем заглянуть глубже в микромир и увидеть, как на самом деле происходят те или иные процессы «из учебника по биологии», и это знание помогает нам совершенствовать вакцины, — рассказал Михаил Пресняков, руководитель ресурсного центра «Нанозонд».
С помощью ультрасовременных микроскопов сегодня можно изучать не только белки и вирусы. Есть у ресурсного центра работы и в других областях науки. Изучая структуру материалов, ученые помогают технологам создавать более совершенную электронику, более прочную. Так или иначе электронная микроскопия сегодня присутствует практически во всех сферах современной науки и техники. А выявленные с помощью микроскопии различия в древних монетах или глиняных сосудах позволяют более точно установить их происхождение и технологии изготовления. Это помогает раскрыть исторические загадки.