Kaip greitai ir efektyviai tirti ląstelę? Vilniaus universiteto (VU) Fizikos fakulteto mokslininkai kartu su tarptautine komanda sukūrė elektroninio aukštų dažnių biojutiklio koncepciją, leidžiančią sekundės dalies tikslumu stebėti reakcijas, vykstančias itin mažuose objektuose, pavyzdžiui, ląstelėse.

Turbūt visiems pažįstamas COVID-19 testas – tai cheminis biojutiklis, kurio atsakymo tenka palaukti. Taikomosios elektrodinamikos ir telekomunikacijų instituto mokslininkai sukūrė elektroninį jutiklį, reaguojantį akimirksniu. Tikimasi, kad naujasis įtaisas leis stebėti molekulinius pokyčius organelėse, aptikti biologinius mikroobjektus. Terahercinės spektroskopijos principu paremtas išradimas gali tapti reikšmingu įrankiu ligų, pavyzdžiui, odos vėžio ar virusinių infekcijų, diagnostikoje. Tyrimas anksčiau buvo publikuotas tarptautiniame tarpdisciplininiame „Nature“ grupės žurnale „Scientific Reports“.

Tyrimui užtenka vieno mėginio lašelio

„Sukurta tokio jutiklio koncepcija atveria naujas galimybes biomolekulinių tyrimų srityje, nes leidžia ne tik aptikti vienų ar kitų biocheminių medžiagų ar darinių susidarymą sudėtinguose biologinės sąveikos tinkluose, bet ir stebėti procesus gyvai, nenaudojant cheminio žymėjimo“, – teigia VU Fizikos fakulteto Triukšmų ir terahercų elektronikos grupės mokslininkas prof. Alvydas Lisauskas.

Profesorius kartu su kolegomis iš Lenkijos aukštų slėgių fizikos instituto ir Frankfurto Goethe’s universiteto (Vokietija) sukūrė elektroninius puslaidininkinius įtaisus, veikiančius esant aukštiems dažniams, pasižyminčius spartumu, jautrumu ir plačiomis derinimo galimybėmis. Tai mokslininkai pasiekė „sukeldami bangas“ įtaisuose esančioje „elektronų jūroje“ ir derindami komerciniuose lustų fabrikuose naudojamas puslaidininkinių įtaisų technologijas.

„Tokiam jutikliui užtenka vieno lašelio, kad būtų galima nustatyti, pavyzdžiui, medžiagos koncentraciją. Tai labai paranku biologams, chemikams ar kitiems su itin mažais medžiagų kiekiais dirbantiems tyrėjams“, – pasakoja prof. A. Lisauskas.

Įdirbis kuriant detektorius atveria naują perspektyvą

Biojutiklio veikimas grindžiamas terahercų spektroskopija. Terahercai – tai elektromagnetinių bangų spektro dalis, esanti tarp mikrobangų (mobiliųjų telefonų skleidžiamų radijo bangų) ir infraraudonosios šviesos. Tokia spinduliuotė nepažeidžia tiriamojo objekto, todėl gerai tinka gyvų ląstelių tyrimams. Pastaraisiais metais terahercų technologijos sulaukė daug dėmesio medicinoje ir biologijoje dėl galimybės stebėti procesus be invazijos.

„Dabar sparčiai vystoma personalizuota medicina, kurios sėkmingam įgyvendinimui būtini veiksmingesni ir ekonomiškesni analitiniai metodai ir įtaisai. Mūsų sukurtas terahercinis jutiklis gali tapti vienu iš jų“, – teigia VU fizikas dr. Kęstutis Ikamas.

Prof. A. Lisauskas priduria, kad jų tyrimų grupė pasirinko skirtingą perspektyvą nei kiti kuriantys tokio tipo biojutiklius. „Didžioji dauguma mokslininkų, kuriančių ir tobulinančių panašius biojutiklius, dėmesį telkia į metamedžiagų – dirbtinai sukurtų struktūruotų medžiagų, kurių elektromagnetinės savybės kyla ne iš pačios medžiagos, o iš jos mikro- ar nanostruktūros – panaudojimą. Mes nusprendėme panaudoti savo ilgametę patirtį kuriant elektroninius detektorius, pasitelkdami pramonines puslaidininkių gamybos technologijas. Jos leidžia suderinti atskirus metamedžiagoms būdingus struktūrinius elementus su elektrinį lauką matuojančiais puslaidininkiniais įtaisais. Taip galima efektyviai registruoti elektromagnetinę sąveiką tarp tiriamosios medžiagos ir jutiklio, lokalizuotą vienos struktūros plote, ir kartu užtikrinti sprendimo pritaikomumą masinei gamybai“, – pasakoja fizikas.

Metodai, leidžiantys tirti be invazijos

Pasak tyrėjų, biojutiklyje pasitelkiami spektroskopijos metodai. Tai fizikos ir chemijos šaka, analizuojanti medžiagos ir elektromagnetinės spinduliuotės sąveiką.

„Kiekviena medžiaga pasižymi jai būdingu spektru. Matomoje šviesoje spektrą žmonės mato kaip spalvą. Pomidoras raudonas, o agurkas žalias, nes šios daržovės turi medžiagų, kurios atspindi būtent tokios spalvos šviesą. Pamatavę tiksliais prietaisais atsispindėjusią nuo daržovių šviesą mokslininkai gali tiksliai pasakyti, kokių medžiagų yra daržovėse. Panašiu principu veikia ir terahercinė spektroskopija, tik čia matavimams naudojama ne šviesa, o aukšto dažnio radijo bangos. Šios bangos leidžia identifikuoti molekules ir tirti pokyčius organelėse ar audiniuose“, – paaiškina dr. K. Ikamas.

VU fizikai pasakoja, kad šiuo metu numatyti biojutiklio taikymai vaistų gamyboje, medicinoje, įskaitant odos vėžio nustatymą ir įvertinimą, virusų ir bakterijų identifikavimą, biomedžiagų rūšiavimą mikroskysčiuose. Mokslininkai iš Montpellier universiteto (Prancūzija)  jau pasinaudojo kiek kitokia to paties lietuvių sukurto biojutiklio versija, kuri suteikė jiems galimybę atlikti unikalius tyrimus, skelbtus „Science Advances“ žurnale.