Срочные новости раздела
Физики ФИАН «сварили» бактерии лазером

Физики ФИАН «сварили» бактерии лазером

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.

© ФИАН

«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 фотолитическому 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 эти два 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 эффективным благодаря высокой интенсивности лазерного излучения, использующего только нужную для воздействия длину волны.

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 микрон. 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 наблюдается 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.

Основные результаты опубликованы в журнале Biomedical Optics Express (показана антибактериальная активность излучения, проведено микробиологическое исследование образцов), в Laser Physics Letters и «Письмах в ЖЭТФ» (исследованы динамические спектры пропускания лазерных импульсов слоем бактерий, для которых наблюдался «синий сдвиг» спектра лазерного импульса для образца с нанесенным слоем бактерий относительно образца без бактерий, который связан с разрывом водородных связей, отвечающих за разрушение вторичной и третичной структуры белков и нуклеиновых кислот).

Информация взята с портала «Научная Россия» (https://scientificrussia.ru/)

Источник: sci-dig.ru

Последние записи - Наука

самые читаемые новости

#Наука

Исследователи из Сколтеха, МГУ, Научно-технологического университета «Сириус» и Института биоорганической химии РАН исследовали роль двух бактериальных генов, которые помогают поддерживать целостность
подробнее...

Исследование ученых из Университета Западного Онтарио показало, что в период зимней спячки колорадские жуки разрушают митохондрии в собственных мышцах, а пробуждаясь, вновь их восстанавливают.
подробнее...

Палеогенетики прочитали самый старый геном домашней лошади из Америки. Им удалось отсеквенировать ДНК из зуба, найденного в испанском городе раннего колониального периода на Гаити. Ученые подтвердили
подробнее...

Группа ученых из Кольского научного центра РАН и Санкт-Петербургского государственного университета открыла новый минерал в якутском месторождении Кестёр в Верхоянском крае, который может стать
подробнее...

Окаменелости плезиозавров, найденные в древнем русле реки в пустыне Сахара позволяют предположить, что некоторые вымершие виды, которые традиционно считались морскими существами, могли обитать и в
подробнее...

Команда исследователей из Сколтеха и Томского политехнического университета применила уникальную технологию, используемую в аэрокосмической промышленности, для синтеза карбида гафния-тантала —
подробнее...

Палеонтолог Ромен Давид (Romain David) из Музея естественной истории в Лондоне выдвинул гипотезу, согласно которой относительный размер полукружных каналов во внутреннем ухе позвоночных зависит от их
подробнее...

Ученые Томского политехнического университета совместно с коллегами из Китая доказали возможность генерации магнитного поля в диэлектриках с низким показателем преломления. К ним относятся стекло,
подробнее...

Китайские физики экспериментально поиграли в квантовую игру Мермина — Переса с помощью гиперзапутанных фотонов. Эта игра представляет собой пример квантовой псевдотелепатии, то есть игры, в которой
подробнее...

Исследователи из Франции разработали инновационного «наноробота» полностью из молекул ДНК. Он поможет тщательнее изучить на микроскопическом уровне механизмы, которые имеют решающее значение для
подробнее...

Израильские физики построили теорию взаимодействия атома с излучением в среде фотонного временного кристалла. Так называют однородный материал, чья диэлектрическая проницаемость периодически меняется
подробнее...

Когда некоторые из магнитных материалов охлаждаются ниже какой-то определенной температуры, происходит нечто интересное. Направления вращения электронов атомов как бы «замораживаются», они застывают,
подробнее...

Согласно теории, далекие транснептуновые объекты ― естественный результат долговременной эволюции Солнечной системы, включающей мигрирующие планеты-гиганты и самогравитирующий планетезимальный диск.
подробнее...

Группа исследователей из Германии и США использует бактериальный биосинтез для производства антибиотика, содержащего фтор, сообщает пресс-служба Франкфуртского университета имени Иоганна Вольфганга
подробнее...

Палеонтолог проанализировал большую выборку черепов динозавров и их родственников и обнаружил, что у большинства видов глазницы были округлыми, но крупные хищники, такие как тираннозавр и аллозавр,
подробнее...

Сотрудники Зоологического музея МГУ и Института биологии развития РАН описали два новых вида голожаберных моллюсков — особой группы морских животных, не имеющих раковины. Один из них назвали в честь
подробнее...

Группа исследователей, в которую вошли ученые из СПбГУ, НМХЦ имени Н. И. Пирогова, Университета Иннополис, БФУ имени Иммануила Канта и сотрудники научно-производственной компании «Иммерсмед», создала
подробнее...

Исследователи из Сколтеха, Исландского университета и Саутгемптонского университета показали, как формируется ранее не наблюдавшийся объект из области квантовой физики, представляющий собой кластер
подробнее...