Коллектив ученых из ИТЭБ РАН, Пущино (Лаборатория Цитотехнологии, зав. лаб. Вадим Цееб), ИОФ РАН, Москва (Лаборатория углеродной нанофотоники, зав. лаб. Игорь Власов) и сотрудники компании Wonder Technologies LLC (резидент Сколково) /Lausanne, Switzerland впервые смогли создать нано-термометрический инструмент (нанотермометр/нанонагреватель) позволяющий в ALL OPTICAL конфигурации прецизионно изучать термодинамические процессы протекающие в нанообъемах в водных средах, живых тканях и клетках. Наноалмазный инструмент с кремниевыми центрами окраски обладает бесконечной фотостабильностью, полным отсутствием токсичности, не нуждается во внутриклеточной калибровке и демонстрирует беспрецедентные характеристики временного и амплитудного разрешения. Кроме того, это очень редкий случай, когда полностью оптическая система позволяет выйти в пространственном разрешении далеко за пределы дифракционного лимита.
Ведущий научный сотрудник ИТЭБ РАН и главный исследователь компании Wonder Technologies LLC, к.ф.-м.н. Вадим Цееб так описывает проблематику и этапы выполнения этого исследования: “В 1979 г в Институте Биологической физики АН СССР выступал Лауреат Нобелевской премии по химии 1977 года, Илья Пригожин, бельгийский физико-химик российского происхождения, один из создателей неравновесной термодинамики. Он был первым, кто отметил, что теория локальных равновесий при некоторой оглядке на времена релаксации (релаксации к локальному термодинамическому равновесию), позволяет использовать равновесные макроскопические термодинамические параметры (включая температуру) при неравновесных термодинамических процессах в плотных средах (например, в воде) опускаясь до характеристических размеров системы в 10 нм, т.е. практически до порядка толщины клеточной мембраны. В этой связи он также отметил, что живая клетка, возможно, совершенно иначе организует термодинамику химических процессов в отличие от человечества, которое ее изучает. Именно – он указал на парадоксальную ситуацию, свидетельствующую о том, что все результаты, полученные в работах по синтетической биохимии проводятся в реакторах с интенсивным перемешиванием, и таким образом по определению исключаются из рассмотрения как процессы ультралокальной диффузии (в нанообъемах), так и ультралокального распространения тепла вблизи реакционных центров, важность которых во внутриклеточных явлениях вызывает сейчас пристальный интерес.
Сорок два года спустя после выступления проф. Ильи Пригожина в Институте Биологической физики АН СССР, температура оставалась последним параметром уравнения электрохимического потенциала, который не поддавался ультралокальному прецизионному контролю в том смысле, как, например, контролируется потенциал клеточной мембраны (Patch Clamp, 1981г), или внутриклеточная концентрация ионов, главным образом Ca2+ (fluorescent dyes, 1985). Возможность же прецизионного экспериментального изучения термодинамических явлений в столь малых объемах до сих пор была инструментально невозможна.
Мы можем утверждать, что нам удалось создать инструмент, который впервые достоверно зафиксировал возможность наведения и измерения резких (до 20 °C/μm), стационарных температурных градиентов в водной среде в субмикронных объемах. Причем, благодаря чрезвычайно низкому коэффициенту теплопроводности воды можно, например, разогреть выбранный нанообъем внутри кубического микрона воды на десятки градусов (в steady-state режиме), в то время как соседний микронный кубик воды об этом ничего не узнает. Речь идет фактически о создании метода Nanoscale Temperature Clamp.
Этот подход открывает абсолютно новые горизонты, как в фундаментальных исследованиях, так и в практических применениях. Температура проявляет себя в нанообъемах водной среды как чрезвычайно быстрый и поддающийся полному контролю параметр. Достаточно подчеркнуть, что этот метод позволяет прецизионно выстраивать субмикронные стационарные температурные градиенты с невероятными скоростями (время стабилизации градиента 10-5с), что на два порядка быстрее спайковой активности самых быстрых нейронов.
Отметим, что впервые эта научная тематика (использование наноалмазов с кремний вакантными центрами окраски для внутриклеточной термометрии) появилась именно в ИТЭБ РАН, как тематика работы аспиранта лаборатории Цитотехнологии - Виктории Аникиной в 2020 г. Спустя шесть месяцев одноименная тематика получила статус приоритетной в компании Wonder Technologies LLC и ее разработчики заключили пятилетний контракт на научные разработки с центром EPFL (École Polytechnique Fédérale de Lausanne), Laboratory of Nanoscale Biology в инновационном кластере Лозанны, поддержанная правительством кантона Вауд, Швейцария. Применение этого инструмента включено в работу, проводимую в EPFL (по глобальному европейскому проекту Blue Brain Project) – именно, в его экспериментальную часть, связанную с изучением внутриклеточной термодинамики.
Работа поддержана грантом (to Vadim Zeeb) Human Frontier Science Program RGP0047/2018 и контрактным финансированием от компании Wonder Technologies LLC.
Источник: Alexey M. Romshin, Vadim Zeeb, Artem K. Martyanov, Oleg S. Kudryavtsev, Dmitrii G. Pasternak, Vadim S. Sedov, Victor G. Ralchenko, Andrey G. Sinogeykin & Igor I. Vlasov. A new approach to precise mapping of local temperature fields in submicrometer aqueous volumes. Scientific Reports volume 11, Article number: 14228 (2021) www.nature.com/articles/s41598-021-93374-7
На фото участники проекта – Вадим Цееб и Алексей Ромшин в Laboratory of Nanoscale Biology в инновационном кластере Лозанны, EPFL, Швейцария (фото предоставлено В.Цеебом)
Ведущий научный сотрудник ИТЭБ РАН и главный исследователь компании Wonder Technologies LLC, к.ф.-м.н. Вадим Цееб так описывает проблематику и этапы выполнения этого исследования: “В 1979 г в Институте Биологической физики АН СССР выступал Лауреат Нобелевской премии по химии 1977 года, Илья Пригожин, бельгийский физико-химик российского происхождения, один из создателей неравновесной термодинамики. Он был первым, кто отметил, что теория локальных равновесий при некоторой оглядке на времена релаксации (релаксации к локальному термодинамическому равновесию), позволяет использовать равновесные макроскопические термодинамические параметры (включая температуру) при неравновесных термодинамических процессах в плотных средах (например, в воде) опускаясь до характеристических размеров системы в 10 нм, т.е. практически до порядка толщины клеточной мембраны. В этой связи он также отметил, что живая клетка, возможно, совершенно иначе организует термодинамику химических процессов в отличие от человечества, которое ее изучает. Именно – он указал на парадоксальную ситуацию, свидетельствующую о том, что все результаты, полученные в работах по синтетической биохимии проводятся в реакторах с интенсивным перемешиванием, и таким образом по определению исключаются из рассмотрения как процессы ультралокальной диффузии (в нанообъемах), так и ультралокального распространения тепла вблизи реакционных центров, важность которых во внутриклеточных явлениях вызывает сейчас пристальный интерес.
Сорок два года спустя после выступления проф. Ильи Пригожина в Институте Биологической физики АН СССР, температура оставалась последним параметром уравнения электрохимического потенциала, который не поддавался ультралокальному прецизионному контролю в том смысле, как, например, контролируется потенциал клеточной мембраны (Patch Clamp, 1981г), или внутриклеточная концентрация ионов, главным образом Ca2+ (fluorescent dyes, 1985). Возможность же прецизионного экспериментального изучения термодинамических явлений в столь малых объемах до сих пор была инструментально невозможна.
Мы можем утверждать, что нам удалось создать инструмент, который впервые достоверно зафиксировал возможность наведения и измерения резких (до 20 °C/μm), стационарных температурных градиентов в водной среде в субмикронных объемах. Причем, благодаря чрезвычайно низкому коэффициенту теплопроводности воды можно, например, разогреть выбранный нанообъем внутри кубического микрона воды на десятки градусов (в steady-state режиме), в то время как соседний микронный кубик воды об этом ничего не узнает. Речь идет фактически о создании метода Nanoscale Temperature Clamp.
Этот подход открывает абсолютно новые горизонты, как в фундаментальных исследованиях, так и в практических применениях. Температура проявляет себя в нанообъемах водной среды как чрезвычайно быстрый и поддающийся полному контролю параметр. Достаточно подчеркнуть, что этот метод позволяет прецизионно выстраивать субмикронные стационарные температурные градиенты с невероятными скоростями (время стабилизации градиента 10-5с), что на два порядка быстрее спайковой активности самых быстрых нейронов.
Отметим, что впервые эта научная тематика (использование наноалмазов с кремний вакантными центрами окраски для внутриклеточной термометрии) появилась именно в ИТЭБ РАН, как тематика работы аспиранта лаборатории Цитотехнологии - Виктории Аникиной в 2020 г. Спустя шесть месяцев одноименная тематика получила статус приоритетной в компании Wonder Technologies LLC и ее разработчики заключили пятилетний контракт на научные разработки с центром EPFL (École Polytechnique Fédérale de Lausanne), Laboratory of Nanoscale Biology в инновационном кластере Лозанны, поддержанная правительством кантона Вауд, Швейцария. Применение этого инструмента включено в работу, проводимую в EPFL (по глобальному европейскому проекту Blue Brain Project) – именно, в его экспериментальную часть, связанную с изучением внутриклеточной термодинамики.
Работа поддержана грантом (to Vadim Zeeb) Human Frontier Science Program RGP0047/2018 и контрактным финансированием от компании Wonder Technologies LLC.
Источник: Alexey M. Romshin, Vadim Zeeb, Artem K. Martyanov, Oleg S. Kudryavtsev, Dmitrii G. Pasternak, Vadim S. Sedov, Victor G. Ralchenko, Andrey G. Sinogeykin & Igor I. Vlasov. A new approach to precise mapping of local temperature fields in submicrometer aqueous volumes. Scientific Reports volume 11, Article number: 14228 (2021) www.nature.com/articles/s41598-021-93374-7
На фото участники проекта – Вадим Цееб и Алексей Ромшин в Laboratory of Nanoscale Biology в инновационном кластере Лозанны, EPFL, Швейцария (фото предоставлено В.Цеебом)