Моя лаборатория разрабатывает новые быстрые и высокочувствительное оптические биосенсоры — наноструктурированные подложки, которые служат для преобразования оптического сигнала при его взаимодействии с биомолекулами или биоорганизмами, адсорбируемыми на поверхности сенсорных элементов. Как правило, такие подложки мы изготавливаем из кремния или композитных материалов на основе кремния и наночастиц благородных металлов. Мы используем различные химические методы для получения наноструктур разных морфологий, способных прицельно “улавливать” биоаналит и быстро регистрировать его по изменению сигнала оптического отклика биосенсора.
В настоящее время мы ведем активные работы по разработке сенсоров для обнаружения биомолекул – онкомаркеров, а также вирусов и бактерий. Например, современные стандартные тесты на резистентность бактерий к антибиотикам в большинстве случаев занимают несколько дней. Мы создаем сенсоры, которые позволяют за время менее 1 часа определить чувствительность бактерий к конкретному типу антибиотика, что несомненно является важным для эффективного лечения заболеваний.
Как сенсоры улавливают бактерии? В чем заключается принцип работы?
Сейчас мы разрабатываем два типа сенсоров. В основе первого лежит эффект гигантского комбинационного рассеяния света (англ. Surface Enhanced Raman Scattering, SERS). Как не существует одинаковых отпечатков пальцев у людей, так и нет (био)молекул, у которых был бы одинаковый спектр комбинационного рассеяния света. Мы создаем композитные наноструктуры кремния, декорированные наночастицами золота и серебра. Нанокремний за счет пористой структуры и огромной удельной площади поверхности эффективно адсорбирует различные биомолекулы, бактерии или вирусы, а наночастицы металлов, за счет эффекта локализованного плазмонного резонанса, усиливают их сигнал комбинационного рассеяния в миллиарды раз. Такие сенсоры способны обнаружить вплоть до одной бактерии или даже одной молекулы анализируемого вещества.
Второй тип сенсоров – интерферометрический. Сенсор представляет собой тонкую пористую пленку, в которой наблюдается интерференция света. При адсорбции биоаналитов меняется эффективный показатель преломления пленки, что приводит к изменениям в наблюдаемом интерференционном спектре. Анализ этих изменений позволяет определить присутствие или концентрацию биоаналита в образце.
Что такое нанотераностика и какие исследования проводятся в этом направлении?
Нанотераностика — это область научных исследований, которая объединяет нанотехнологии, диагностику и терапию для создания мультифункциональных наносистем, способных одновременно обнаруживать и лечить различные заболевания. В своих исследованиях мы разрабатываем системы тераностики на основе наночастиц пористого кремния. Хорошо исследованы такие необходимые для использования в биомедицине свойства наночастиц кремния, как низкая токсичность и биорастворимость. Вместе с тем, у таких полупроводниковых материалов при уменьшении размеров возникают новые уникальные физические свойства. Например, фотолюминесценция в красной области спектра, что можно использовать в люминесцентной диагностике раковых клеток, а также в фотодинамической терапии – уничтожении клеток генерируемым при фотовозбуждении наночастиц синглетным кислородом.
Кроме того, такие пористые наночастицы можно использовать как наноконтейнеры для прицельной доставки лекарств в раковые клетки. Все это служит для повышения эффективности диагностики и лечения заболеваний, открывая новые возможности для персонализированной медицины.
Что было создано в вашей лаборатории впервые?
Все исследования, которые мы делаем в лаборатории – новые, и все выпускаемые нами научные статьи содержат новизну. В принципе, без этого невозможна публикация результатов научной работы. Так, технологии получения композитных наноструктурированных подложек являются новыми, как и предложенные способы их использования для диагностики исследуемых нами биомолекул и биообъектов. Мы впервые показали, что с помощью спектроскопии комбинационного рассеяния можно исследовать интернализацию и растворение наночастиц кремния внутри живых клеток. Мы были первые, кто предложили и исследовали свойства наночастиц пористого кремния сенсибилизации (усиления) терапевтического ультразвука и высокочастотного электромагнитного излучения для уничтожения раковых клеток. И это далеко не все. Сейчас мы работаем над новыми открытиями, о которых расскажем позже, после окончания работ и публикации результатов.
Есть ли у лаборатории партнеры?
Наш Университет – уникальное место, где можно найти коллег – коллабораторов, и вместе эффективно вести научные исследования. В рамках МГУ лаборатория сотрудничает с коллегами с факультета фундаментальной медицины, химического факультета, факультета наук о материалах, биологического факультета. При таком комплексном междисциплинарном исследовании нам удается рассмотреть задачи используя различные подходы, что интересно с научной точки зрения и способствует получению новых уникальных результатов.
Мы поддерживаем связь и с другими научными организациями: Институтом теоретической и экспериментальной биофизики и Институтом биологического приборостроения РАН, Национальным исследовательским центром эпидемиологии и микробиологии имени Н.Ф. Гамалеи, Сколково, Сеченовским Университетом и другими.
С чего начался Ваш научный путь, и как появилась лаборатория физических методов биосенсорики и нанотераностики?
Мои родители занимаются наукой, многие бабушки и дедушки были учителями, врачами. Так что, можно сказать, что любовь к науке, преподаванию и медицине у меня в крови. С детства я очень полюбила физику, эта наука меня всегда удивляла интересными открытиями, объясняющими языком математики явления природы. Со студенческих времен мой научный путь связан с наноматериалами на основе кремния. Моя дипломная работа была о фотонных кристаллах на основе пористого кремния, в аспирантуре я исследовала изменения электронных и оптических свойств пористых пленок кремния при адсорбции активных молекул- для разработки газовых сенсоров. Затем вектор моей научной деятельности повернулся в сторону исследований биомедицинских применений кремниевых наноструктур.
В 2018 году я победила в открытом конкурсе проектов на создание новых научных лабораторий под руководством молодых ученых МГУ «Зеленый свет». Тема моих исследований соответствует биологической и медицинской физике, и вот уже пятый год моя лаборатория работает на базе кафедры медицинской физики нашего факультета.
Чем занимаются студенты, когда приходят в вашу лабораторию?
Когда студент приходит в лабораторию, мы в первую очередь знакомим его с исследованиями, которые проводит лаборатория. Затем предлагаем изучить литературу и включиться в работу над реальными научными экспериментами.
На первом курсе у студентов не так много времени и знаний, но важно как можно раньше понять, что больше нравится: теоретическая наука или экспериментальная, математическое моделирование или проведение опыта. В лаборатории физических методов биосенсорики и нанотераностики мы используем междисциплинарный подход. Поэтому здесь вы будете решать задачи, в которых переплетаются физика, химия, биология и нанотехнологии.
Чему можно научиться в лаборатории, что может пригодиться и за ее пределами?
Физический факультет – это место, где учат мыслить, ставить научную проблему, находить решение задачи и достигать поставленных целей. Эти навыки наиболее необходимы и пригодятся в любой работе. В моей лаборатории важен междисциплинарный подход к исследованиям. Поэтому полученные здесь знания дают возможность работать в различных областях физики, химии, биологии или нанотехнологий, медицины.
Как часто ваша лаборатория выезжает на научные конференции?
Мы стараемся как можно чаще участвовать в самых разных всероссийских и международных конференциях. Ежегодно все студенты лаборатории участвуют в нашей “домашней” конференции Ломоносов, а аспиранты и сотрудники – в Ломоносовских чтениях. Осенью мы участвовали в конференции в Воронеже, а этим летом в Новосибирском академгородке.
Что бы Вы посоветовали студентам, выбирающим кафедру?
В первую очередь нужно постараться определиться с областью вашей будущей деятельности, это может быть фундаментальная или прикладная наука. На каждой кафедре физического факультета решаются серьезные, интересные и актуальные задачи. Важно посещать кафедры и лаборатории, общаться с сотрудниками. Тогда вы обязательно найдете увлекательное подходящее вам занятие.
Что такое успех для ученого, и как его добиться?
Успех для ученого – это признание его научных трудов. Когда совершаются научные открытия, важно уметь заявить об этом. Наука должна быть открытой, и по результатам своей работы важно писать статьи в журналах, делать доклады на конференциях. Только после этого другие ученые смогут дальше развивать идеи, изложенные вами. Отражение вашего научного открытия в трудах других ученых, в повышении качества жизни людей в целом – это то, для чего и построена вся научная деятельность.
Про лабораторию физических методов биосенсорики и нанотераностики рассказала ее заведующий, ведущий научный сотрудник кафедры медицинской физики, кандидат физико-математических наук Осминкина Любовь Андреевна.
Команда Медиацентра факультета