«Наука в Сибири» № 23 (2758) 10 июня 2010 г. «НАУКА ДЕЛАЕТСЯ В ЛАБОРАТОРИЯХ...» Тридцать первого мая в новосибирском Академгородке для представителей средств массовой информации состоялся пресс-тур, приуроченный к прошедшему накануне Дню химика. На этот раз «объектом исследования» журналистов стал Институт химической кинетики и горения СО РАН, в котором и было организовано мероприятие. Ю. Александрова, «НВС» Работа по ряду направлений Первая остановка — в директорском кабинете. Пока все подтягиваются, директор института профессор С. А. Дзюба беседует с собравшимися, отвечает на вопросы и поначалу отмахивается от попыток его сфотографировать («Вы молодых поснимайте, ведь это они делают науку»); затем следует краткая презентация ИХКГ СО РАН. «Есть одна замечательная особенность: институт наш химический, а работают в нем, главным образом, физики, которые занимаются решением физических, а последнее время и биологических проблем», — с этих слов начинает Сергей Андреевич свой рассказ, после чего кратко информирует об основании института, достижениях и направлениях работы. В лаборатории д.ф.-м.н. профессора С. А. Дзюбы. Институт химической кинетики и горения был создан по инициативе академика Н. Н. Семенова (единственного Нобелевского лауреата по химии в нашей стране). В настоящее время химические, биологические и другие процессы здесь исследуют с помощью физических методов. Химической физикой занимаются сотни лабораторий в мире, издаются научные журналы, в которых сотрудники ИХКиГ публикуют свои статьи, посвященные спектроскопии магнитного резонанса. Ученые ИХКиГ имеют высокий индекс цитирования. Всё это наглядно демонстрирует связь фундаментальной и прикладной науки; именно здесь впервые был разработан уникальный метод исследования молекулярных взаимодействий — спиновая химия, который широко применяется для изучения влияния магнитного поля на химические и биологические процессы в живом организме. Помимо спиновой химии и магнитного резонанса в химии и биологии, без которого сейчас не обходится ни одно медицинское обследование, институт работает по ряду других направлений химической физики, среди которых фотофизика и фотохимия молекул, изучение аэрозолей, проблем горения, пожаровзрывобезопасности на шахтах, использования биотоплив и т.д. Сейчас во многих странах в качестве добавки к бензину используется биоэтанол, и остро стоит вопрос об оптимизации его горения. При этом важно, чтобы повысился коэффициент полезного действия и не было неблагоприятных экологических последствий. Особенность института — не только применение физических методов в химии и биологии, но и разработка собственно физических методов. Есть ряд интересных наработок, например, установка безскважинной разведки подземных вод на основе эффекта ядерного магнитного резонанса в магнитном поле Земли. Этот метод был создан в ИХГК и широко применяется в мире. Завершая повествование об истории и сегодняшнем дне Института химической кинетики и горения, директор приглашает последовать за ним и ознакомиться с процессом научного поиска, так сказать, на месте. «Наука делается не на конференциях и в кабинетах, а за приборами, на рабочих местах, в лабораториях», — резюмирует Сергей Андреевич. Спиновые метки — в помощь ученым Пункт номер два пресс-тура и начало экскурсии как таковой — лаборатория химии и физики свободных радикалов. Здесь занимаются электронным парамагнитным резонансом, который представляет собой разновидность магнитного резонанса, исследуют самые разные процессы, в числе которых — изучение поведение сложных биологических систем методом спиновых меток. В лаборатории установлен самый современный прибор стоимостью около миллиона евро, отвечающий мировым стандартам — ЭПР-спектрометр немецкой компании «Bruker», который дает возможность подробно отследить все процессы. Ответ на вопрос «для чего нужна спиновая химия?» очень прост. Используя микроскопы, можно наблюдать за взаимодействием атомов и молекул, но нельзя проследить за их движением из-за быстроты происходящих процессов. Зато это позволяют сделать «окольцованные» биологические молекулы со специальными спиновыми метками, вводимыми в вещество. Спиновая метка — это свободный радикал, имеющий в составе неспаренный электрон. Метка «пришивается» к участку молекулы и позволяет следить за её поведением. В лаборатории этим методом изучается такая проблема, как действие пептидов — нового класса антибиотиков, не вызывающих привыкания организма (что, как правило, происходит при употреблении обычных лекарств), которые разрушают на молекулярном уровне мембраны «нехороших» бактерий. На антибиотик «навешивается» спиновая метка (получается такая «окольцованная птичка»), и исследователи следят за поведением молекулы, делают выводы о процессах разрушения мембраны. Этой темой в мире занимаются сейчас десятки лабораторий. Но есть и другие проекты, например, изучение посредством данной технологии влияния холестерина на поведение клеток — это тоже можно делать с помощью «окольцованных» молекул. Повсеместно говорят о вреде холестерина, но... на уровне всего организма, при том что он, тем не менее, необходим для разных процессов жизнедеятельности. И только подробно изучив все молекулярные взаимодействия, можно сказать, почему холестерин накапливается и наносит вред здоровью человека. «Биологический адронный коллайдер» Аспирант Дмитрий Строкотов и завлаб проф. В. П. Мальцев. В лаборатории цитометрии и биокинетики ученые анализируют биологические объекты и процессы. Заведующий кафедрой биомедицинской физики НГУ, профессор, д.ф.-м.н. В. П. Мальцев рассказал о программе, предсказывающей влияние облучения на клетки, а также продемонстрировал собравшимся уникальную систему — цитометр BioUniScan или прототип инструментальной платформы универсального анализатора для биологии и медицины, который здесь называют «биологическим адронным коллайдером», и показал его в работе. По своим параметрам он превосходит любой из существующих в зарубежных лабораториях подобных приборов и позволяет исследовать в реальном времени состав любой биологической жидкости, например, крови. Цитометр дает возможность с высокой точностью измерять и описывать каждую клетку крови (до тысячи клеток в секунду), включая параметры, которые не учитываются в обычных анализах. Например, в привычной нам диагностической лаборатории можно определить объем эритроцитов или концентрацию гемоглобина, а вот плотность ядра лимфоцитов или моноцитов, размер ядра измерить не получится. Созданный в Институте кинетики и горения прибор представляет собой универсальную платформу для изготовления анализатора с любыми необходимыми функциями, который можно использовать для выявления бактериологических инфекций, изучения специфичности антибиотиков, наблюдения иммунных реакций организма на внешние инфекции, массового скрининга населения и т.д. Требуется лишь «доукомплектовать» разработанную систему, установив в нее нужный тип лазера или другого оборудования. По словам В. П. Мальцева, «это железо, готовое для коммерциализации», и если найдется инвестор, который желает получить прибыль с производства и продажи, поликлиники и медицинские центры получат прибор, анализирующий параметры, которые ранее были недоступны для медиков. Что, в свою очередь, поможет проводить более точную диагностику заболеваний, которая сегодня делается косвенными методами. Высокая чувствительность устройства позволит выявлять патологии на ранних стадиях болезни, а при использовании его для проведении общих анализов крови — снизить стоимость этой услуги, хотя отдельно взятой клинике он обойдется в немалую сумму — около полутора миллиона рублей. Дарья Орлова В ходе фундаментальных исследований по изучению процессов в клетках и стабильности генома человека лаборатория цитометрии и биокинетики проводит совместные работы с Центром новых медицинских технологий (они поставляют контейнеры с кровью, а в лаборатории анализируют материал и разрабатывают новые методики), а также сотрудничает с Институтом клинической иммунологии в Новосибирске и Институтом биофизики в Чехии. За работу по созданию методики исследования оптических и кинетических свойств клеток крови на цитометре BioUniScan Золотую медаль РАН получила Дарья Орлова, которая параллельно является аспиранткой НГУ и Института биофизики Чешской академии наук. Она изучает динамику белков внутри ядер клеток, что очень важно для понимания процессов поддержания стабильности геномов клеток. Рассказал В. П. Мальцев и о системе подготовки молодых ученых, а также об организации работы в лаборатории: «Любое фундаментальное исследование состоит из трёх компонентов: теоретического, инструментального и исследовательского. По всем трём наша лаборатория занимает ведущие позиции в мировой „табели о рангах“. К примеру, у нас создана уникальная программа, которая позволяет рассчитывать результат взаимодействия излучения (лазерного, волнового) с биологическими элементами любой сложности в форме и структуре. Она может использоваться как на персональном компьютере, так и на суперкомпьютере — последний рассчитает взаимодействие лазерного излучения с эритроцитом крови примерно за 8 минут... Что касается системы обучения и подготовки, она у нас занимает полный цикл, стартуя в Новосибирском госуниверситете: студенты приходят в лабораторию, затем в аспирантуру. Причем в последнее время стараемся устраивать совместные аспирантуры с зарубежным университетом». В лаборатории цитометрии и биокинетики. Лаборатория механизмов реакций Здесь об основных направлениях работы говорил, как сформулировал директор института, «успешный представитель молодого поколения» — В. Киселев, который недавно защитил кандидатскую диссертацию. Сфера его интересов — моделирование, теоретические и квантово-химические расчеты, исключительно важные для горения веществ, ракетных топлив, компонентов высокоэнергетических материалов. Посредством этих вычислений и моделирования ученые могут установить многие параметры — из чего состоят вещества, как происходит превращение в процессе горения. Такая интерпретация необходима для тех, кто непосредственно занимается экспериментом или на практике работает с этими соединениями. Основной аспект состоит в том, что научные сотрудники лаборатории помогают получать те данные, которые очень трудно или вообще невозможно получить экспериментально. В частности, расчеты помогают установить некоторые величины — благодаря им можно оценить потенциальный импульс топлива, которое готовятся загрузить в ракету. С помощью этих данных можно предсказать заранее, не занимаясь дорогостоящим тестированием, какое вещество, например, будет давать больший импульс, необходимый для разгона ракеты, а какое — меньший. Изучить структуру пламени В лаборатории кинетики процессов горения: к.ф.-м.н. Денис Князьков и проф. О. П. Коробейничев. Последним пунктом в программе пресс-тура значится посещение лаборатории кинетики и процессов горения, в которой ученые занимаются проблемами горения на самом современном уровне: разрабатывают технологии пожаро- и взрывобезопасности, способы повышения эффективности разных топлив, изучают структуру пламени и изобретают специальные составы для тушения пожаров. Экскурсию проводят д.ф.-м.н. О. П. Коробейничев, к.х.н. А. Г. Шмаков (самый молодой завлаб в институте) и молодой научный сотрудник, к.ф.-м.н. Д. Князьков. «Семьдесят пять процентов энергии в мире получается за счет горения, — сообщил непросвещённым Олег Павлович Коробейничев, — а в основе этих процессов лежат химические превращения. В пламени протекают сотни химических реакций, однако не все знают, что главные из них — это так называемые цепные реакции, разветвлённые, с участием атомов и свободных радикалов». Далее был продемонстрирован уникальный прибор — масс-спектрометр. Это единственная в России установка, а в мире их имеется не больше десяти (пять в Европе, пять в Америке). Комплекс позволяет изучать структуру пламени, устанавливать, какие частицы в нем находятся (включая атомы и свободные радикалы), определять, какое количество частиц присутствует в пламени и сравнивать их с данными компьютерного моделирования реального пламени с участием десятков соединений и сотен химических реакций, а также устанавливать механизм реакции, т.е. цепочки последовательных превращений. Как же действует данное устройство? Все это показали и объяснили, так сказать, «на пальцах». В пламя вводится кварцевый зонд с отверстием толщиной в человеческий волос. Частицы пламени, которые живут микросекунды, поступают через этот зонд в вакуумную установку в виде молекулярного пучка, а их параметры (масса, концентрация) записываются и передаются на компьютер. Далее ученые сопоставляют искомую модель горения с полученными экспериментальными данными и подбирают оптимальные способы «управления огнём» в любых условиях. На масс-спектрометре изучают пламена водородных и углеводородных топлив и химию элементарных стадий горения, исследуют «глубинные» процессы, происходящие в пламени, что дает реальную возможность управлять горением любого вещества, например, повышать коэффициент полезного действия ТЭЦ или двигателей, минимизировать образование сажи, обеспечивать экологическую безопасность продуктов горения — как в энергетике, так и для безопасного уничтожения химического оружия. В пламени можно производить не только энергию, но и материалы. Совместно с Институтом неорганической химии СО РАН создана одноступенчатая технология получения диоксида титана для производства газовых сенсоров и фотоэлементов солнечных батарей, которая оказалась намного дешевле и эффективнее применяемых пленок из поликристаллического кремния. Полученные результаты будут представлены в этом году на международном симпозиуме по горению в Пекине. Кроме того, в лаборатории разработан эффективный фосфоросодержащий пламегаситель, не разрушающий озоновый слой атмосферы, который запатентован совместно с МЧС России. Работы сотрудников ИХКГ регулярно публикуются и активно цитируются в ведущих научных журналах мира, доклады звучат на международных симпозиумах и конференциях. И это тоже безусловный показатель эффективности. Фото В. Новикова стр. 4-5