Автор: Дарья Колмина
"Питерские заметки", 07.11.2023:
Инструмент, который позволяет манипулировать микроскопическими объектами — это реальность, а не научная фантастика. И эта технология принесла ученым Нобелевскую премию в 2018 году.
Специалисты в области науки теперь воспользовались вычислительными мощностями суперкомпьютеров, чтобы сделать оптические пинцеты (их ещё называют оптическими ловушками), более безопасными для применения в биологических исследованиях, таких как терапия рака, экологический мониторинг и многое другое.
"Мы считаем, что наши исследования приближают нас к индустриализации оптических ловушек в биологических исследованиях, в частности в сфере селективной клеточной хирургии и точной доставки лекарств", - отметил Павана Коллипара, недавно закончивший аспирантуру в Университете Техаса в Остине. Коллипара был соавтором исследования об оптических ловушках, опубликованного в августе 2023 года в Nature Communications. Эта работа была проведена до завершения его докторской программы по механической инженерии под руководством Юебинга Жэнга из Университета Техаса в Остине.
Оптические ловушки захватывают и перемещают маленькие частицы благодаря импульсу света, который может передаваться на попадающую в него частицу. Использование усиленного света в лазерах усиливает этот процесс.
Коллипара и его коллеги пошли еще дальше, разработав метод охлаждения целевой частицы с помощью радиатора и термоэлектрического охладителя. Их метод, названный гипотермическими или оптическими ловушками (HOTTs), позволяет безопасно ловить разнообразные коллоиды и биологические клетки в их естественной среде при низком энергопотреблении.
Этот последний шаг в развитии оптических ловушек может помочь решить проблемы, связанные с существующими лазерными ловушками, которые нагревают образец слишком сильно во время проведения биологических исследований.
"Основная идея этой работы проста", - говорит Коллипара. "Если образец повреждается из-за нагрева, достаточно его охладить и затем нагреть лазерным лучом. Когда целевая частица, такая как биологическая клетка, заперта, температура все равно остается близкой к окружающей температуре, около 27-34 °C. Вы можете ловить ее при более низкой мощности лазера и контролировать температуру, тем самым избегая повреждения клеток из-за температуры."
Научная команда проверила свои гипотермические оптотермофоретические ловушки (HOTT) на красных кровяных клетках человека, которые чрезмерно чувствительны к изменениям температуры.
"При использовании обычных оптических ловушек клеточная структура повреждается, и они мгновенно умирают. Мы продемонстрировали, что наш метод позволяет безопасно ловить такие клетки и манипулировать ими, независимо от того, в каком растворе находятся клетки. Это было одним из основных результатов исследования", - отметил Коллипара.
Еще одним результатом исследования является его применение в области доставки лекарств. Плазмонические везикулы, маленькие био-контейнеры, покрытые золотыми наночастицами, могут быть заперты, не перемещаясь в разных местах в растворе, что аналогично направлению лекарств в определенную опухоль при лечении рака. Как только они достигают опухоли, их облучают вторичным лазерным лучом, чтобы раскрыть "груз" лекарства.
"Лазерно-индуцированная доставка лекарств важна, потому что мы можем сосредотачивать и доставлять лекарства в конкретную область. Таким образом, количество лекарств, потребляемых пациентом, значительно уменьшается, и можно указать места воздействия лекарства", - добавил Коллипара.
Для вычисления полномасштабных величин сил, воздействующих на частицы от оптических, термофоретических и термоэлектрических полей, достигаемых при определенной мощности лазера, потребовались суперкомпьютерные симуляции. На протяжении своей аспирантуры в Университете Техаса в Остине Коллипара получил доступ к суперкомпьютеру Stampede2, который является национальным стратегическим ресурсом, используемым тысячами ученых, финансируемых Национальным фондом науки.
"Эта система настолько сложна в плане вычислительных требований, что наши локальные рабочие станции не способны ее поддержать. Нам бы потребовалось несколько дней для выполнения одной симуляции, чтобы получить всего одну точку данных, а нам нужны тысячи. Новый метод помог нам в анализе и генерирует результаты на порядок быстрее, чем что-либо другое, что у нас есть", - сказал Коллипара.
Более широко, но не напрямую для этого исследования, работы Коллипара в области плазмонных биосенсоров также использовали суперкомпьютер Lonestar5 для проведения более обширных симуляций. Lonestar5 и, теперь, Lonestar6 служат ученым в Системе Университета Техаса через Исследовательскую киберинфраструктуру Университета Техаса (UTRC).
"Просто построить сложную модель недостаточно", - говорит Коллипара: "Вы должны убедиться, что она правильно работает в ходе эксперименты. Ноутбуки недостаточны для серьезных исследований и разработок. Именно ресурсы суперкомпьютера помогают исследователям продвигать разработки и соответствовать потребностям человека".
Специалисты в области науки теперь воспользовались вычислительными мощностями суперкомпьютеров, чтобы сделать оптические пинцеты (их ещё называют оптическими ловушками), более безопасными для применения в биологических исследованиях, таких как терапия рака, экологический мониторинг и многое другое.
"Мы считаем, что наши исследования приближают нас к индустриализации оптических ловушек в биологических исследованиях, в частности в сфере селективной клеточной хирургии и точной доставки лекарств", - отметил Павана Коллипара, недавно закончивший аспирантуру в Университете Техаса в Остине. Коллипара был соавтором исследования об оптических ловушках, опубликованного в августе 2023 года в Nature Communications. Эта работа была проведена до завершения его докторской программы по механической инженерии под руководством Юебинга Жэнга из Университета Техаса в Остине.
Оптические ловушки захватывают и перемещают маленькие частицы благодаря импульсу света, который может передаваться на попадающую в него частицу. Использование усиленного света в лазерах усиливает этот процесс.
Коллипара и его коллеги пошли еще дальше, разработав метод охлаждения целевой частицы с помощью радиатора и термоэлектрического охладителя. Их метод, названный гипотермическими или оптическими ловушками (HOTTs), позволяет безопасно ловить разнообразные коллоиды и биологические клетки в их естественной среде при низком энергопотреблении.
Этот последний шаг в развитии оптических ловушек может помочь решить проблемы, связанные с существующими лазерными ловушками, которые нагревают образец слишком сильно во время проведения биологических исследований.
"Основная идея этой работы проста", - говорит Коллипара. "Если образец повреждается из-за нагрева, достаточно его охладить и затем нагреть лазерным лучом. Когда целевая частица, такая как биологическая клетка, заперта, температура все равно остается близкой к окружающей температуре, около 27-34 °C. Вы можете ловить ее при более низкой мощности лазера и контролировать температуру, тем самым избегая повреждения клеток из-за температуры."
Научная команда проверила свои гипотермические оптотермофоретические ловушки (HOTT) на красных кровяных клетках человека, которые чрезмерно чувствительны к изменениям температуры.
"При использовании обычных оптических ловушек клеточная структура повреждается, и они мгновенно умирают. Мы продемонстрировали, что наш метод позволяет безопасно ловить такие клетки и манипулировать ими, независимо от того, в каком растворе находятся клетки. Это было одним из основных результатов исследования", - отметил Коллипара.
Еще одним результатом исследования является его применение в области доставки лекарств. Плазмонические везикулы, маленькие био-контейнеры, покрытые золотыми наночастицами, могут быть заперты, не перемещаясь в разных местах в растворе, что аналогично направлению лекарств в определенную опухоль при лечении рака. Как только они достигают опухоли, их облучают вторичным лазерным лучом, чтобы раскрыть "груз" лекарства.
"Лазерно-индуцированная доставка лекарств важна, потому что мы можем сосредотачивать и доставлять лекарства в конкретную область. Таким образом, количество лекарств, потребляемых пациентом, значительно уменьшается, и можно указать места воздействия лекарства", - добавил Коллипара.
Для вычисления полномасштабных величин сил, воздействующих на частицы от оптических, термофоретических и термоэлектрических полей, достигаемых при определенной мощности лазера, потребовались суперкомпьютерные симуляции. На протяжении своей аспирантуры в Университете Техаса в Остине Коллипара получил доступ к суперкомпьютеру Stampede2, который является национальным стратегическим ресурсом, используемым тысячами ученых, финансируемых Национальным фондом науки.
"Эта система настолько сложна в плане вычислительных требований, что наши локальные рабочие станции не способны ее поддержать. Нам бы потребовалось несколько дней для выполнения одной симуляции, чтобы получить всего одну точку данных, а нам нужны тысячи. Новый метод помог нам в анализе и генерирует результаты на порядок быстрее, чем что-либо другое, что у нас есть", - сказал Коллипара.
Более широко, но не напрямую для этого исследования, работы Коллипара в области плазмонных биосенсоров также использовали суперкомпьютер Lonestar5 для проведения более обширных симуляций. Lonestar5 и, теперь, Lonestar6 служат ученым в Системе Университета Техаса через Исследовательскую киберинфраструктуру Университета Техаса (UTRC).
"Просто построить сложную модель недостаточно", - говорит Коллипара: "Вы должны убедиться, что она правильно работает в ходе эксперименты. Ноутбуки недостаточны для серьезных исследований и разработок. Именно ресурсы суперкомпьютера помогают исследователям продвигать разработки и соответствовать потребностям человека".