Выдавливается из шприца жидкость, включается свет, и там, куда вы светите, она отвердевает, превращаясь в скаффолд, который можно заселять живыми клетками

Об одном из лауреатов премии президента в области науки и инноваций для молодых ученых физике Евгении Хайдукове рассказывают странные вещи: его разработки позволяют видеть людей насквозь, делают невозможной подделку денег, а еще на их основе вырастили человеческое ухо внутри мыши. Он рассказал «Эксперту» о своих исследованиях и о том, как сейчас работается молодым ученым в стране

— Здесь, в Троицке, в Федеральном научно-исследовательском центре "Кристаллография и фотоника" РАН, вы работаете на стыке трех очень разных областей — фотоники, кристаллографии, создания новых материалов…

— Областей гораздо больше! В нашей научной группе есть врач, микробиолог, наноинженер, инженер, специалист по лазерам и лазерной технике, химик-неорганик, химик-органик… Я могу и дальше перечислять. Уникальность группы как раз в том, что удалось собрать совершенно разных специалистов, поэтому мы и можем решать такие разные задачи. А еще мы хороши тем, что смогли коммерциализировать наши технологии: оборудование, которое мы разрабатываем, сильно дешевле, чем западные аналоги, и его уже используют несколько организаций в России. Этим немногие могут похвастаться.

Нанофотолаборатория и прозрачные мыши

— Расскажите об исследовании, за которое вас наградили.

— Мне дали премию в секции «инженерия», то есть не просто за исследование, а за инженерную разработку. Наночастицы, которые мы синтезировали, нашли применение сразу в нескольких отраслях.

— Что это за наночастицы? 

— Мы научились делать наночастицы, которые способны преобразовать длинные волны в короткие, — условно говоря, инфракрасный свет в обычный или даже в ультрафиолетовый. Подобные наночастицы делает много кто в мире — это такое горячее пятно на научном поле. Но в отличие от других нам удалось повысить эффективность преобразований инфракрасного света в ультрафиолетовый в таких наносистемах.

А с другой стороны, мы научились масштабировать технологию синтеза этих наночастиц, то есть мы можем получать их в больших количествах. И самое главное, они все друг на дружку похожи, их ключевые свойства от синтеза к синтезу не меняются. То есть обошли большое ограничение, сдерживающее все развитие нанотехнологий вообще: синтез любой наносистемы довольно сложно точно повторить.

— Хорошо, вы научились создавать и воспроизводить эти наночастицы. А как их можно использовать?

— Наши нанофотолаборатории — мы сами придумали этот термин — можно использовать, например, в биотехнологиях, для биовизуализации. Инфракрасный свет очень глубоко проникает в биоткани по сравнению с обычным. Если преобразовывать инфракрасный свет не в ультрафиолет, а в другие инфракрасные кванты с немного иной длиной волны, можно просвечивать ими мышку насквозь, малые лабораторные животные для этого излучения просто прозрачны. Если мы нашими наночастицами промаркируем определенные структуры в животном, то в режиме реального времени увидим, например, как у животного сокращаются легкие, как оно дышит. Видеть, что происходит в разных структурах организма, крайне важно для биологов или для людей, которые испытывают лекарства, чтобы отследить, как происходят изменения в опухоли.

Откуда взялось ухо

— Описывая вашу работу, вспоминают почему-то человеческое ухо, выращенное в теле мыши…

— Ухо напечатали не мы! Но давайте по порядку. Сейчас бурно развивается регенеративная медицина. Ее суть в том, что вы создаете так называемую скаффолд-структуру, клеточную матрицу — строительные леса для роста клеток. Они ведь в нашем организме живут в трехмерной среде и не могут расти на плоскости. 

Когда в организме формируется некая зона дефекта, мы должны ее заполнить здоровыми тканями. Для этого формируется каркас нужной структуры из тканеинженерной конструкции, который печатается, как правило, с использованием 3D-технологий. Дальше берутся клетки у пациента, этими клетками заселяется получившаяся скаффолд-структура, и это все помещается в биореактор, где доращивается до нужного размера, а потом отправляется к врачу, который будет интегрировать эту систему в живой организм. Вот только он может сказать: елки-палки, я просил круглые, а вы сделали квадратные, не годится, переделывайте.

К чему я это все рассказываю? Это очень сложный технологический процесс, в нем много этапов, и на каждом этапе можно совершить ошибку. А мы придумали, как создавать клеточный матрикс с помощью технологии фотолитографии — очень хороший способ, позволяющий тонко контролировать и настраивать систему. Фотолитография основана на свойстве фотополимеров застывать под действием света. В месте, куда вы посветили, формируется твердая часть, все остальное вы можете с помощью растворителя смыть. Эта технология долго развивалась в рамках  микроэлектроники, но оказалось, что она подходит и для медицины. Выдавливается из шприца жидкость, включается свет, и там, куда вы светите, она отвердевает, превращаясь в скаффолд, который можно заселять живыми клетками. 

Это очень многоэтапная процедура, поэтому мы подумали: а давайте возьмем жидкий фотополимер (его надо сделать биоадаптивным, то есть чтобы он не вызывал токсических эффектов), возьмем наши наночастицы, смешаем с живыми клетками и инжектируем прямо в зону дефекта. А дальше просто эту зону дефекта осветим инфракрасным светом, который, преобразуясь в синий свет, инициирует процесс полимеризации, и нужная ткань начнет обретать форму прямо внутри организма. 

Вот откуда ухо появилось. То есть мы придумали и опубликовали метод, идею. А коллеги, подхватив нашу идею, довели ее до состояния уха.

— Выходит, вы создали идею, а воспользуются ею другие?

— Пока наши конкуренты печатали ухо, мы тоже не останавливались. Наша идеология заключается сейчас в том, чтобы не брать никакие материалы, которых нет в живом организме. Потому что все пластиковое, что мы туда помещаем, в итоге изолируется по принципу занозы: мы воткнули это в организм, и, если организм не может от этого избавиться, он просто его будет изолировать, сформирует вокруг капсулу. Яркий пример «стройматериала», который уже есть внутри организма, — гиалуроновая кислота, поэтому ее так эффективно можно применять для коррекции морщин, ведь она там и должна быть.

А мы берем и модифицируем немножко эту гиалуроновую кислоту, чтобы с использованием фотореакций можно было проводить процедуру ее полимеризации, застывания прямо внутри живой системы. Помимо наночастиц мы сделали материал, который для этого гораздо лучше подходит, чем все аналоги. Но самое узкое горлышко в этой ситуации — фотоинициатор, вещество, запускающее реакцию. В микроэлектронике все фотоинициаторы жутко токсичные, их сейчас пытаются переработать для биомедицины. Но мы и фотоинициатор нашли в живом организме. В общем, все ключевые компоненты мы берем из организма, приготавливаем их специальным образом и обратно возвращаем.

— Какой же фотоинициатор есть в нашем организме?

— Витамин В2. Это одна из тех вещей, за которые нам дали премию: мы обнаружили новые свойства у этого витамина: он может специфически захватываться определенными опухолевыми клетками. Мы на малых животных смогли показать, что он крайне эффективно накапливается клетками меланомы и можно применять технологию фотодинамической терапии, для того чтобы убивать эти клетки и даже проводить активацию собственной иммунной системы. В отличие от химиотерапии, которая, напротив, угнетает иммунную систему, обезоруживая человека перед инфекциями. Мы прививали на животное две опухоли-меланомы с правого и левого бока и воздействовали только на опухоль, которая находится с одной стороны. И увидели, как собственная иммунная система начинает подавлять рост опухоли, на которую воздействия не было. 

Наногайки медузоподобных структур

— А откуда пошла другая растиражированная в СМИ тема, что ваша разработка поможет отличать поддельную валюту от настоящей?

— Построить технологию защиты от подделки можно на том же принципе преобразования инфракрасного излучения в фотоны с нужной длиной волны. На современных бланках ценных бумаг под действием синего света какие-то объекты флюоресцируют красненьким, зелененьким — там есть такие ниточки специальные, которые, впрочем, не обеспечивают должного уровня защиты от подделок. А если использовать наши наночастицы, то набор фотонов, которые они испускают, можно запрограммировать, то есть закодировать в его спектре некую информацию. Это уже совсем другая история, на порядок возрастает сложность подделки. Я вам так скажу: это почти невозможно.

Это, впрочем, очень малая часть нашей работы, почти ничего. А вот действительно важное направление, о котором я еще не рассказал, — кристаллография наносостояний. Эта работа вышла уже в 2021 году, во влиятельном журнале Nano Research. Ее базовая идея в том, чтобы для создания более сложных наноинженерных конструкций использовать процесс перекристаллизации. Этот процесс хорошо известен, но не для наноматериалов. Для наносостояний процессы перекристаллизации пытались запускать, но всегда получали более простой объект: условно говоря, имея куб, получали шар. Невозможно было из куба получить, например, шестигранную призму, все всегда сваливалось в сторону упрощения.

А мы доказали, что процесс усложнения структур путем перекристаллизации возможен, и даже показали миру, как его запускать. Как пример мы использовали нанокристаллы, поверхность которых с помощью лазерного излучения очень деликатно подплавляли, запуская процесс перекристаллизации, и так на шестигранных наногайках смогли вырастить кристаллические стержни. Важно, что это не аморфный материал, а именно кристаллический, — это мы тоже доказали. Работа называется ярко — «Медузоподобные нанокристаллические структуры». Их вообще раньше получить никто в принципе не мог!

Легко ли быть молодым ученым

— Каково это, быть ученым в России?

— Порекомендовал бы я своим детям пойти в ту отрасль знания, в которой я работаю? Да. Ученые — это люди со специфическим пониманием мира. Многие полагают, что учеными можно управлять за счет финансовых ресурсов, каких-то ограничений или льгот. Поверьте мне, нет. Мотивы у подходящих для этой профессии людей другие. При отборе сотрудников в нашу научную группу, мы сразу отказываемся от таких, которые в первую очередь задают вопросы, связанные с финансами.

Есть, условно говоря, бизнес-парки — идите туда, ребята, если вы хотите много зарабатывать. А у нас, скорее, идет борьба за научный авторитет. Здесь свое соревнование: мы постоянно с коллегами, в том числе с западными, бьемся за то, кто будет первый — кто первый создаст технологию, кто первый сделает открытие.

Пока мы в России проигрываем в эту игру, если в целом. Но проигрываем не потому, что мы хуже, а потому, что они пока задают правила игры. Все высокорейтинговые журналы принадлежат западным корпорациям, из этого сделали хороший бизнес. Мы проспали этот момент, теперь нам сильно надо догонять. Если вы хотите развивать высокие технологии, то должны определять и политику в этой сфере, а это уже не вопрос к ученым. 

— Конечно, если ученого прежде всего интересуют деньги, это странно. Но все-таки науку двигают не журналы, а ученые, — и ведь многие наши ученые уезжают туда, в Америку, ровно потому, что там они могут, служа высоким идеалам науки, еще и хорошо получать и ни в чем не нуждаться.

— Это как раз не так. Я понимаю, поверьте, о чем говорю, потому что стажировался за рубежом. И я постоянно работаю с западными командами, с западными коллективами. Для того чтобы реализовать свои научные идеи, свои научные программы, в России сейчас гораздо больше финансовых возможностей. Они шире, потому что у нас есть фонды, которые при выполнении определенных критериев начинают считать, что на то, что ты говоришь, имеет смысл тратить деньги налогоплательщиков и стоит дать тебе возможность проверить эту идею. Это как норматив: сдал ГТО — получишь значок.

Поверьте, на Западе близко ничего такого нет, чтобы молодой ученый моего формата получил деньги на проверку своих идей, это просто какая-то небылица. Да, там есть большие гранты, но инфраструктурные, комплексные, а чего-то подобного там близко нет. Когда я разговариваю со своими западными молодыми коллегами, если мы начинаем сравнивать наши финансовые возможности, то оказывается, что мы сильно выигрываем. И они, надо сказать, на это смотрят с большой завистью.

— А какие у нас проблемы, что мешает вашей работе?

— Я не просто так сказал, что ты должен выполнить некий норматив для того, чтобы получить те или иные гранты. Если молодой человек сосредоточен на решении какой-то совершенно практической значимой задачи, вот тут у него начинаются проблемы, потому что нет фондов, которые поддерживали бы прикладные разработки, опираясь не на его научный авторитет, а на значимость этой работы для решения проблем народного хозяйства.

Понимаете, у нас в научной карьере легко стартовать с фундаментальной науки, а потом остаток ресурса, который ты имеешь, перераспределить уже на конкретику: вот мы открыли некий процесс, понимаем, что его можно использовать там-то и там-то, и по остаточному принципу начинаем его туда продвигать, насколько сил хватит, насколько денег на это осталось. Здесь как раз у западных коллег все хорошо, у них всегда есть нацеленность на конкретный результат. Там почти невозможно получить деньги на какие-то фундаментальные исследования, они всегда хотят видеть по окончании проекта технологическую штуку, которая будет полезна для народного хозяйства.

— У нас проблемы с прикладной наукой, да?

— Да, у нас с этим большие сложности. Получить на фундаментальные исследования деньги довольно просто, а чтобы получить их на прикладные разработки, нужно серьезно побороться. А на Западе это в принципе реализовано по-другому. Там как это работает? Условно говоря, есть некая научная группа, которая развивает конкретную технологию, ее государство накачивает и накачивает деньгами, в итоге они доводят технологию до концептуального образца, с которым уже можно выходить на рынок. Дальше эта группа целиком выпадает из научной организации и превращается во что-то вроде ООО — не знаю, назовите как угодно. В результате образуется малая инновационная компания, после того как государство лет десять вкладывало в нее средства. И лишь спустя десятилетие компания начинает совершать уже обратную отдачу государству, цикл замыкается. На мой взгляд, у нас такого замкнутого цикла прикладных исследований в принципе нет. А все существующие для их стимуляции программы кривые и с дырками. Это наша проблема, и она должна системно решаться. 

— Неужели фундаментальной наукой в России заниматься легче?

— Молодым ученым уж точно комфортнее, чем на Западе, гораздо комфортнее. Мне уже не раз предлагали перебраться туда, но я отказывался.

— Каковы ваши планы после получения премии? 

— Не мешало бы мне перейти уже из статуса молодого ученого в статус, так сказать, крепкого среднего ученого.

— Зрелого ученого, да?

— Недозрелого до конца, но, скажем так, созревающего. Тут, к сожалению, тоже возникает важный вопрос. Государственная программа поддержки молодых ученых почему-то рассчитана до тридцати пяти лет, после ты уже не имеешь права участвовать в этих программах, финансирования больше не дадут. Хотя сам статус молодого ученого у нас сохраняется до тридцати девяти лет.

— Четыре года куда-то запропастились?

— Ребят, вы как-то разберитесь с нормативами, кого считать молодым ученым. Я как раз перешагнул этот рубеж, и теперь мне нужно играть уже на "взрослом" поле. Надо сказать, что я уже пытался на нем играть, иногда даже успешно.

Теперь многие проблемы придется решать по-другому. Может, молодежь, которую мне удается подрастить, будет замещать меня — подавать наши проекты и пытаться играть на том поле. Ну а мне нужно смотреть вперед и закрепляться уже на более серьезной площадке — видимо, для начала следует сосредоточиться на докторской диссертации: если вовремя ее защитить, можно опять стать молодым. Потому что в России доктор наук до тридцати девяти лет все-таки признается молодым. Хочу остаться молодым и буду над этим сейчас активно работать.

Дети и наука

— А вы своих детей как-то знакомите с наукой?

— У меня трое детей — двое мальчиков, посередине дочка. Моя супруга тоже из научной среды, но сейчас она в большей степени отвечает за их развитие. Иногда они приходят ко мне в лабораторию. Даже делают какие-то эксперименты простецкие — для них это большая радость, посмотреть какую-нибудь водяную блоху, дрыгающую ножками, в оптический микроскоп, накормить ее какими-нибудь наночастицами и посмотреть, как она себя будет при этом вести. По-научному это называется «тест на экотоксичность».

— Думаете, они тоже могут в сторону науки шагнуть?

— Ожидаю, что шагнут, потому что вижу в них определенные наклонности: им нравится конструировать, иногда в задачах они находят сложные решения, от которых мы с женой приходим в восторг, потому что взрослый человек до такого никогда бы не додумался. 

Я со своей стороны стараюсь тоже тягу к науке в детях поддерживать. Например, у нас проходит Троицкая школа учителей физики — регулярное мероприятие, куда съезжаются учителя физики со всей Москвы. Мы им организуем лекции как раз с целью того, чтобы они могли в своих школах подрастающему поколению не абстрактно рассказывать про науку, а проводить какие-то эксперименты. И в физическом марафоне у детей в школе участвую — как член жюри. А послезавтра лекцию иду в школу читать, про науку и будущее.

Зал славы: кого еще наградили

Владимир Максименко из университета «Иннополис» разработал математическую модель активности нейронных ансамблей, сделав понятнее для науки взаимодействие нейронов в нашем мозге. На основе обнаруженных закономерностей Владимир создал инвазивный нейроинтерфейс для предотвращения эпилептических приступов путем электрической стимуляции мозга. Другое применение модели — создание неинвазивного интерфейса для контроля концентрации внимания. С его помощью впервые продемонстрирована возможность повышения концентрации внимания без длительных тренировок за счет использования биологической обратной связи. Команда лаборатории занимается разработкой подобных интерфейсов для создания интерактивных образовательных программ для детей с нарушением внимания.

Кирилл Антонец и Антон Нижников из Всероссийского научно-исследовательского института сельскохозяйственной микробиологии и Санкт-Петербургского университета обнаружили у растений функциональные амилоиды — особенные белки, обеспечивающие стабилизацию запаса питательных веществ для зародыша. Они помогают семенам многих растений переживать засуху, перепады температур и прочие неблагоприятные воздействия. Обнаружение амилоидов у растений открывают значительные перспективы для создания сортов растений со сниженными амилоидными свойствами белков семян. Это приведет к повышению их питательной ценности, ведь амилоиды крайне стабильны и не перевариваются в пищеварительном тракте, а еще к снижению аллергенности, так как амилоидный белок семян бобовых вицилин — важный пищевой аллерген. 

Евгения Долгова, Екатерина Поттер и Анастасия Проскурина из Института цитологии и генетики СО РАН разработали новые средства борьбы с раком — им удалось сделать химиотерапию эффективной и при этом намного более щадящей. Ученые разработали два препарата. Первый, «Панаген», активирует противоопухолевый иммунный ответ. Второй, «Каранахан», борется со злокачественными стволовыми клетками. Одновременное их применение приводит к полному уничтожению опухоли.