Биолазер: Сияние жизни
Без лазеров современная жизнь немыслима, но и сегодня его эффектное название заслоняет простую, в общем-то, суть устройства: лазер — усилитель света. Действие его основано на «накачке» атомов рабочего тела и переводе их на более высокий энергетический уровень. Рано или поздно один из возбужденных атомов вернется на первоначальный уровень, излучив разницу в энергии в виде фотона. Этот фотон, столкнувшись с другим возбужденным атомом, также выбьет его обратно на уровень с пониженной энергией — и создаст новый фотон, имеющий ту же частоту и фазу, что и исходный. Хаотично направленные фотоны отсекаются, например, окружающими рабочее тело зеркалами, и направляются обратно на него. А направленное в нужную сторону излучение растет лавинообразно и создает характерный узконаправленный, когерентный и монохроматичный лазерный луч.
И вот на днях гарвардские ученые Мэльт Гэтер (Malte Gather) и Сек-Хьюн Юнь (Seok-Hyun Yun) нашли способ применить эту схему в живой биологической клетке. «Когда мы только приступили к задаче, создание "биологического лазера" можно было счесть чем-то вроде курьеза, научной забавы», — поясняет профессор Гэтер. В самом деле, 50 лет спустя после создания лазеров мы опробовали для использования в них великое множество различных материалов и систем, но биологические вещества никогда не играли в этом заметную роль.
Ключевым компонентом предложенной учеными схемы стал зеленый флуоресцентный белок (GFP), невероятно популярный инструмент современной биологической лаборатории. Белок этот, ген которого выделен из медузы и легко переносится в другие организмы, флуоресцирует зеленым при освещении синим светом, что позволяет использовать его в качестве удобной и наглядной световой метки (подробнее читайте в заметке «Белок с подсветкой»).
Итак, ученые перенесли кодирующий GFP ген в культуру человеческих клеток, затем стимулировали в них синтез этого белка и поместили клетки в узкое — шириной примерно в размер одиночной клетки — пространство между парой зеркал. Осталось «накачать» систему синим светом, для чего был использован синий лазер, пульсирующий слабыми, с энергией около 1 нДж импульсами. Как и в обычных условиях, такая стимуляция заставляет GFP флуоресцировать, испуская фотоны во всех направлениях. Однако внутри «лазерной установки» фотоны отражаются, возвращаясь на GFP и усиливая его свет, создавая когерентный луч зеленого цвета.
По мнению экспертов, подобные «биолазеры» могут найти широкое применение в медицине будущего, служа эффективными сенсорами и инструментами, способными работать внутри нашего организма — скажем, точно, «адресно» уничтожая клетки раковой опухоли.
Но еще интересней другое следствие живой сущности «биолазера». Дело в том, что в большинстве типов современных лазеров рабочее тело со временем деградирует, снижая свои характеристики. Однако потрясающая способность живых клеток к самовосстановлению позволяет им синтезировать все новые и новые количества GFP по мере разрушения старых. Такому лазеру время не страшно.
По публикации ScienceNOW