Лаборатория оптики и спектроскопии наноструктур

Второе направление, развивающееся в группе, возглавляемой к.ф.-м.н. Ширшиным Е.А. (eshirshin@gmail.com),связано с оптической диагностикой живых систем.

В последние 10 лет наблюдается прорыв в области применения оптической диагностики в медицине: оптическая биопсия сравнялась по чувствительности с гистологией, позволяя проводить анализ опухолей в реальном времени; выходят на рынок неинвазивные методы определения артериального давления, гемоглобина и глюкозы; оптическая томография рутинно используется для исследования эффективности лекарственных препаратов. Благодаря развитию методов биоинженерии и оптической микроскопии, становится возможным проследить за работой единичных молекул определенного типа не только в клетках, но и в биотканях и даже на пациентах (in vivo). Фотонные технологии повсеместно используются в разнообразных тест-системах: лабораториях-на-чипе, скрининговых тест-системах (например, на вирусы или антитела), клиническом диагностическом оборудовании.

В группе проводится ряд исследований, охватывающих такие задачи как исследование межмолекулярных взаимодействий, структурных изменений биомакромолекул, процессов внутри живой клетки и разработку новых методов биомедицинской диагностики. За последние пять лет была выполнена серия работ по молекулярному имиджингу (визуализации) in vivo с использованием эндогенного контраста, то есть, без внесения молекул-меток, выявлены новые типы флуорофоров - источников информативного сигнала от тканей для задачи интраоперационной диагностики, а также исследован ряд актуальных молекулярных систем, например, фотоактивных белков и белковых структур, вовлеченных в процессы нейродегенерации. Результаты работы опубликованы в 25 статьях Q1, включая Nature Communications и Angewandte Chemie. Исследования ведутся совместно с ведущими медицинскими центрами и группами, специализирующимися в области биохимии, молекулярной и структурной биологии, фундаментальной медицины. В последнее время мы сосредоточились на применении методов оптической спектроскопии и микроскопии, включая наноскопию, для исследования молекулярных процессов. В Имеющийся многолетний задел, в области спектроскопии одиночных молекул, планируется применить к биосистемам. Ближайшими задачами являются изучение формирования оптического отклика в гетерогенных системах биомолекул на различных временных масштабах, создание сенсоров, позволяющих быстро детектировать наличие антител в крови, исследование свойств мембраны клетки и лиганд-рецепторных взаимодействий.

Рисунок. 1. Флуоресцентные изображения и спектральные траектории одиночных флуоресцентных молекул ТБТ, внедренных в полимерную матрицу. Левая панель: изображения молекул, введенных в нанопленку полистирола толщиной 8 нм, помещенную на медную сетку (поле зрения ~ 80х80 мкм). Правая панель: примеры временных изменений спектров одиночных молекул, вызванных взаимодействием с возбуждениями матрицы. Слева - случай отсутствия взаимодействий, в центре – взаимодействие с быстрой двухуровневой системой (расщепление), справа – взаимодействие с медленной двухуровневой системой (прыжки).

Рисунок. 2. Визуализация стадий самосборки фибриллярных наноструктур (гидрогелей) методом микроскопии времен жизни флуоресценции (FLIM).