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.