Как белорусские лазеры помогли исследованиям, за которые в этом году вручили Нобелевскую премию по медицине

В этом году Нобелевская ассамблея Каролинского института присудила премию по физиологии или медицине Карлу Дайссероту, Петеру Хегеману и Георгу Нагелю. Официальная формулировка комитета отмечает их вклад в «открытие светоуправляемых ионных каналов и оптогенетику».

Исследования этих ученых фактически решили столетнюю проблему нейробиологии: как изучать работу мозга не через пассивное наблюдение за его активностью, а через точное точечное вмешательство.

Павялічыць

До появления оптогенетики традиционные методы — электрическая стимуляция или лекарства — позволяли лишь фиксировать связи между активностью клеток и поведением, но не давали возможности установить прямые причинно-следственные связи. Ток воздействовал одновременно на все типы клеток в зоне контакта, а химические препараты работали слишком медленно и влияли на целые участки мозга сразу.

Технология оптогенетики впервые позволила возбуждать или тормозить исключительно заданные популяции нейронов, совершенно не затрагивая соседние клетки. Процесс идет в миллисекундном масштабе времени, что точно совпадает с естественной скоростью нервных импульсов.

Именно этот инструмент открыл путь к разбору сложных мозговых процессов на отдельные детали: от выяснения механизмов памяти и эмоций до понимания физической природы неврологических заболеваний.

Механика оптогенетики: как свет управляет нейронами

Теоретическая база для управления отдельными нейронами была сформулирована Фрэнсисом Криком еще в 1979 году. К началу 2000‑х годов попытки создать такой инструмент требовали сложных многокомпонентных систем. Например, экспериментальная система chARGe разработки Геро Мизенбёка использовала несколько различных белков из глаза плодовой мушки и требовала постоянного введения экзогенного (внешнего) химического вещества. Это делало реакцию клеток слишком медленной и непригодной для точных экспериментов, напоминая попытку собрать телевизор из отдельных деталей непосредственно внутри мозга. Также использовались синтетические фотопереключатели на основе азобензола, что требовало очень сложной химической доставки к нейронам.

Прорыв произошел благодаря переходу к максимально простой однокомпонентной системе. Петер Хегеман и Георг Нагель идентифицировали в геноме зеленой микроводоросли Chlamydomonas reinhardtii последовательности Chop1 и Chop2, которые кодируют белки каналородопсин-1 и каналородопсин-2.

Павялічыць

Эксперименты на ооцитах (незрелых яйцеклетках) шпорцевой лягушки Xenopus laevis показали, что эти молекулы являются настоящими светоуправляемыми ионными каналами, способными работать как биологические ворота и пропускать через себя заряженные частицы с миллисекундной скоростью.

Павялічыць

Чтобы внедрить эти ворота в нервную систему млекопитающих, лаборатория Карла Дайсерота использовала лентивирусные и аденоассоциированные вирусные векторы, то есть обезвреженные вирусы-доставщики генетического материала.

Чтобы интеграция гена происходила не во все клетки подряд, ученые применили клеточно-специфические промоторы — участки ДНК, служащие «выключателями» для определенных генов.

Эти элементы действуют как генетические почтовые индексы, позволяя встраивать светочувствительные белки (опсины) строго в целевые нейроны. Ключевой находкой стало то, что в мозге млекопитающих уже есть естественное «топливо» для этих белков — все-транс-ретиналь (производное витамина А). Это избавило от необходимости искусственно вводить в мозг дополнительные химические вещества.

Механика возбуждения клетки работает через фотоизомеризацию — мгновенное изменение пространственной формы белка под воздействием света. Когда на каналородопсин воздействует синий луч, его внутренняя молекула поглощает фотон и буквально раздвигает трансмембранные спирали белка.

Образовавшаяся пора пропускает внутрь клетки положительно заряженные ионы, и такой стремительный приток частиц изменяет электрический заряд мембраны. В результате этого биологического замыкания нейрон генерирует электрический импульс и передает сигнал дальше.

Павялічыць

Для обратного процесса, торможения нервной активности, исследователи адаптировали белки из солелюбивых микроорганизмов. Под воздействием желтого света они работают как активные насосы, силой закачивая внутрь клетки отрицательно заряженные ионы хлора или выталкивая протоны. Накопление соответствующего заряда действует как биологический тормоз и полностью блокирует способность нейрона передавать сигналы.

Однако природных свойств этих белков оказалось недостаточно для решения сложных медицинских задач. Ученые начали искусственно изменять их аминокислотную структуру, создавая мутанты со специфическими характеристиками. Одни модификации позволили превратить белок в тумблер, который включается одним световым импульсом и остается открытым до момента выключения светом другого цвета. Другие обеспечили сверхбыструю кинетику, способную задавать клетке максимально точный ритм активности.

Павялічыць

Зачем биологам понадобились физики

Чтобы превратить оптогенетику из лабораторного фокуса в реальный медицинский инструмент, ученым нужно было разобраться в самых глубоких молекулярных механизмах работы опсинов.

Природные белки отлично подходят для жизнедеятельности микроорганизмов, но для лечения человеческих болезней требуется абсолютная предсказуемость. Чтобы безопасно внедрять эту технологию для восстановления зрения при дегенерации сетчатки, купирования приступов эпилепсии или контроля тремора при болезни Паркинсона, исследователям было необходимо точно знать, как именно открывается ионный канал, сколько времени он остается активным и что заставляет его закрыться.

Проблема заключалась в том, что процесс реагирования белка на свет совсем не похож на простое нажатие кнопки. После поглощения фотона молекула проходит через фотоцикл — сложную серию последовательных изменений собственной структуры. Эти промежуточные формы, которые в науке называются интермедиатами и обозначаются буквами K, L, M, N и O, существуют лишь считанные доли секунды или даже микросекунды. Например, именно на этапе образования интермедиата M происходит перенос заряда и непосредственное открытие канала, после чего белок стремительно возвращается в исходное состояние.

Увидеть такие мгновенные трансформации в обычный микроскоп невозможно. Чтобы зафиксировать молекулярные изменения, происходящие за тысячную долю секунды, биологам понадобился инструментарий квантовой физики, а именно методы лазерного импульсного фотолиза и времяразрешающей спектроскопии.

Суть этого подхода требует идеальной синхронизации. Мощный и очень короткий лазерный импульс должен одновременно ударить по образцу белка, чтобы запустить фотоцикл во всех молекулах сразу. В этот же момент другой световой луч непрерывно просвечивает образец, а спектрометр фиксирует малейшие изменения в поглощении света на разных длинах волн.

Только такая скоростная молекулярная съемка позволяет понять, какие именно аминокислоты следует изменить при искусственном мутагенезе, чтобы продлить или сократить время работы белка. Однако для проведения подобных экспериментов биологическим лабораториям понадобились источники света с уникальными характеристиками — лазеры, способные выдавать наносекундные импульсы точно заданной мощности без малейших сбоев во времени.

Белорусские лазеры в исследованиях опсинов

Решение проблемы сверхбыстрой молекулярной съемки потребовало оборудования, способного генерировать мощные и максимально стабильные световые импульсы.

Павялічыць

Конкретные свидетельства использования минских лазеров зафиксированы в фундаментальных научных работах, подробно расшифровавших механику оптогенетики. Среди них — исследования структуры белков, проведенные ведущими международными коллективами биофизиков в прямом соавторстве с самим нынешним нобелевским лауреатом Питером Хегеманом.

Чтобы зафиксировать кинетику светочувствительных белков, исследователи напрямую использовали твердотельный Nd:YAG лазер модели LS-2134UTF и систему параметрического генератора света LT-2214 производства белорусского предприятия LOTIS TII.

Павялічыць

На практике этот физический процесс выглядит следующим образом. Чтобы запустить фотоцикл в белке и не пропустить ни одной микросекунды его структурных изменений, ученым был нужен импульс света длиной всего около 7 наносекунд. Белорусский лазер генерирует мощный базисный импульс, который затем проходит через параметрический генератор. Этот дополнительный модуль позволяет физикам плавно изменять длину волны и настраивать, например, точно 470 нанометров для получения идеального синего цвета.

Такой точный лазерный выстрел одновременно запускал реакцию во всех молекулах лабораторного образца. Сразу после этого спектрометры шаг за шагом записывали, как деформируется спираль белка и как образуется ионная пора. Именно благодаря этим измерениям нейробиологи смогли понять, какие конкретно аминокислоты отвечают за скорость работы каналородопсинов. Техническая надежность минских установок обеспечила ту самую безошибочную фиксацию промежуточных состояний белка, без которой превращение оптогенетики из интересного биологического феномена в рабочий медицинский инструмент было бы просто невозможным.

Что такое LOTIS TII

Павялічыць

В феврале 2026 года белорусско-японское предприятие LOTIS TII отмечает свое тридцатилетие. Его история началась, когда группа выпускников физического факультета Белорусского государственного университета и бывших сотрудников Института физики Академии наук БССР во главе с Владимиром Кононовым начала самостоятельно разрабатывать технику.

В 1996 году они объединили усилия с компанией Tokyo Instruments, образовав совместное предприятие.

Сейчас офис и производство компании находятся в Минске на улице Октябрьской, 17.

По официальным данным, за время работы предприятие поставило более 1600 лазеров и лазерных систем в 34 страны мира. Техника экспортируется преимущественно в научные центры Японии, США и Европы, обеспечивая высокоточным оборудованием лаборатории, занимающиеся фундаментальной физикой, биологией и медициной.

Две реальности белорусской оптики

Современная белорусская оптическая школа является прямым наследником научно-промышленной базы Советского Союза. В то время БССР фактически выполняла роль высокотехнологичного интеллектуального сборочного цеха всей страны, что позволило сформировать мощный кадровый потенциал в области лазерной физики и приборостроения. Однако сегодня это технологическое наследие используется в диаметрально противоположных направлениях.

Если одна часть белорусских производителей работает на созидательные цели и обеспечивает оборудование для мировых медицинских открытий, другая обслуживает российские интересы в войне с Украиной.

Крупные государственные предприятия, такие как «БелОМО», «Пеленг» и Научно-технический центр «ЛЭМТ», сосредоточены на выполнении оборонных заказов для российского военно-промышленного комплекса. По данным расследователей, объем поставок продукции военного и двойного назначения из Беларуси в Россию измеряется сотнями миллионов долларов.

Белорусские заводы массово производят прицелы наводчика «Сосна-У» и тепловизионные системы для российских танков Т-72 и Т-90, системы управления огнем, а также оптические блоки для бронетехники и гранатометов. В результате интеграции в производство российского вооружения эти компании были внесены в санкционные списки Евросоюза, США и Великобритании. Технологический потенциал отрасли, способный обеспечивать инструментами мировую науку, в этом государственном сегменте оказался полностью переориентированным на нужды военной промышленности соседней страны, что привело к ограничению доступа к западным компонентам и глобальным рынкам.

• 9
• 0
• 0
• 0
• 0
• 1
• 0
• 0