Российские физики из ФИАН «сварили» бактерии лазером
Бороться с патогенными бактериями трудно. Российские физики предложили для этого использовать лазер
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.
Проблема дезинфекции
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 фотолитическму или фотохимическому повреждению молекул клеток: УФ-облучение разрушает ДНК, вызывает мутации ДНК и уничтожает микроорганизмы.
Однако ультрафиолет оказывает разрушительное действие и на ДНК клеток млекопитающих и может спровоцировать развитие меланомы. Кроме того, некоторые виды бактерий способны «чинить» ДНК, а это сводит к нулю воздействие ультрафиолета. Поэтому два эти традиционные средства нельзя применять повсеместно, и ученые изучают другие диапазоны длин волн.
Как работает лазер
Большой интерес представляет 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 эффективными благодаря высокой интенсивности лазерного излучения, использующего только нужную для воздействия длину волны.
«Мы показали, как на практике воздействует на бактерий 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 (углерод) — N (азот) связях белков и нуклеиновых кислот при воздействии излучением с длиной волны шесть микрон и C (углерод) — H (водород) связей углеродного скелета — под действием излучения три микрона», — говорит сотрудник лаборатории лазерной нанофизики и биомедицины ФИАН Светлана Шелыгина.
Физики ФИАН показали, что лазерное облучение в среднем инфракрасном диапазоне 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 распаду. Физики показали 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.
Где очень нужна технология лазерной дезинфекции
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.
Результаты исследований опубликованы в ведущих научных журналах: Biomedical Optics Express, в Laser Physics Letters и «Письмах в ЖЭТФ».