Лауреаты премии Правительства Москвы молодым учёным 2021 года
8 февраля 2022 года, в День российской науки свыше 80 молодых учёных получили премии Правительства Москвы. Премии присуждаются ежегодно — за достижения в фундаментальных и прикладных научных исследованиях в области естественных, технических и гуманитарных наук, а также за разработку и внедрение новых технологий, техники, приборов, оборудования, материалов и веществ, способствующих повышению эффективности деятельности в реальном секторе экономики и социальной сфере города Москвы. Премия присуждается в 22 номинациях и составляет 2 млн рублей.
Представляем читателям две работы лауреатов 2021 года.
Лазер для переноса микроорганизмов
Технология 3D-печати, бурноразвивавшаяся в последнее десятилетие, получила такое широкое распространение, что уже трудно перечислить все области её применения. Это строительство, проектирование, создание деталей и прототипов различной техники, производство одежды, продуктов питания, мебели, предметов искусства, медицина и т. д. Что касается медицины, то здесь можно видеть два основных направления развития 3D-печати: изготовление различных протезов из искусственных (синтетических, композитных) материалов и биопечать — создание биоинженерных конструкций, то есть построение тканей и объёмных конструктов из живых клеток, которые в перспективе могут использоваться для пересадки взамен повреждённых. Для биопечати применяют разные методы, среди которых можно назвать прямую экструзию клеток, магнитную биопечать, фотолитографию, стереолитографию.
Недавно усилиями небольшого коллектива молодых учёных Института фотонных технологий Федерального научно-исследовательского центра «Кристаллография и фотоника» РАН разработана новая технология биопечати — лазерная инженерия микробных систем (ЛИМС). Речь о лазерной биопечати гелевыми микрокаплями, содержащими бактерии и клеточные объекты. С её помощью можно решать разные биотехнологические и медицинские задачи. Например, выделять микроорганизмы, которые трудно или невозможно культивировать стандартными микробиологическими методами (а таких микроорганизмов — подавляющее большинство), разделять устойчивые культуры (симбионты), выделять микроорганизмы — продуценты новых антибиотиков и биологически активных веществ, быстро создавать искусственные биоплёнки и заселять клеточными культурами искусственные тканеинженерные конструкции (имплантаты), что очень востребовано в регенеративной медицине.
Разработка основана на принципе лазерно-индуцированного прямого переноса вещества. Импульсное лазерное излучение для прямого переноса вещества впервые применили в середине 1980-х годов. Тогда сотрудники Лаборатории прикладной физики Университета Джона Хопкинса (Лорел, США) с металлической плёнки, нанесённой на оптически прозрачную подложку, с помощью импульсного высокоэнергетического эксимерного лазера (λ=193 нм) осадили медь на кремниевую мишень. Впоследствии возможности ЛИМС стали использоваться для многих приложений, например, с его помощью наносят порошковый люминофор на экраны дисплеев высокого разрешения. Также он применяется для переноса крайне хрупких и чувствительных материалов органических тонкоплёночных резисторов, органических светодиодов, молекул ДНК, белков.
Суть процессапредложенной молодыми учёными технологии такова: при поглощении наносекундного лазерного импульса ИК-диапазона металлической плёнкой, на которой распределён гель с клетками, плёнка нагревается и образуется парогазовый пузырь. При его расширении возникает тонкая струя геля, от которой впоследствии отрывается маленькая гелевая капелька. Микрокапли геля с отдельными клетками перелетают на так называемую акцепторную поверхность, расположенную на моторизированной платформе. В качестве акцепторной поверхности могут использоваться чашки Петри, лабораторные микропланшеты, поверхности электрохимических чипов или искусственные конструкции для восстановления биоткани. Минимальный объём переносимых микрокапель гидрогеля — несколько пиколитров (1 пл = 10-12 л). Скорость печати достигает 100 микрокапель в секунду и, как утверждают разработчики, возможно увеличение производительности на порядок. Использование лазерных импульсов ИК-диапазона, безопасного для переносимых клеточных объектов, — одно из важных преимуществ технологии по сравнению с мировыми аналогами, в которых, как правило, применяются лазерные системы УФ-диапазона, способного повредить биологические объекты.
Разработанные системы для лазерной биопечати объединены в единый автоматизированный программно-аппаратный комплекс. Их можно эксплуатировать в настольном варианте без обеспечения специфических условий, в стерильных биобоксах и боксах с настраиваемой атмосферой, то есть с подбором соответствующих газовых условий, в которых осуществляют перенос, благодаря чему работы в них можно вести с микробными клетками из различных природных сред — аэробами, анаэробами и даже с микроорганизмами-экстремофилами, то есть живущими и размножающимися в экстремальных условиях.