Теперь лазеры могут определять не только отдельные виды микробов, но и их количество.
Как лазеры могут определять звук вирусов? Недавно ученые это выяснили. Они разработали способ подслушивать вирусы и другие микроорганизмы. Эта новая технология может помочь учёным изучить микроорганизмы и определять наличие микробов в нашей среде.
На протяжении сотен лет мы могли видеть клетки организмов через микроскопы. С ростом мощности этих оптических приборов учёные стали способны увеличивать все меньшие детали. Однако даже когда появилась возможность видеть отдельные микроорганизмы, большинство из них оставались неидентичными и выглядели похожими.
«Это была не проблема поиска «иголки в стоге сена. Это была проблема поиска «иголки в стоге иголок», — говорит Элад Хавел. Элад Хавел - химик. Он работает в Университете штата Мичиган в Ист-Лансинге. «Для того чтобы обнаружить одну иголку среди других иголок, нужно искать что-то уникальное в ней», — говорит он.
Уникальной технологией для решения этой проблемы стала способность различать звук. Почти все организмы могут издавать звук, вибрируя — и обычно эти вибрации передаются нашим ушам через воздух. Разные предметы создают различные звуки в зависимости от своей формы и материала, из которого они сделаны. Именно поэтому стук по столу звучит иначе, чем постукивание по окну.
То же самое справедливо и для микроорганизмов. Каждый тип имеет свою особую структуру из белков и других молекул. Их уникальная химия и строение придают каждому микроорганизму характерный звук.
Именно это побудило Хавела и его команду из института начать работу над новой лазерной системой. Разобравшись, как измерять эти звуки, они теперь могут их каталогизировать. Это похоже на то, как вы видите далекую птицу в лесу, но не знаете, какого она вида, пока не услышите ее характерный зов.
2. Элад Хавел в своей лаборатории с некоторым оборудованием, которое составляет электронное "ухо", способное слышать и записывать звуки микроорганизмов.
Чтобы измерить звуки микроорганизмов, команда Хавела начала с того, что направила лазер на вирус. Это немного похоже на удар по маленькому гонгу крошечным молоточком — если бы молоточек мог стучать по гонгу миллионы раз в секунду.
На фото: Крупный план куба с делителем луча (в центре), через который проходят лазерные лучи. Хавел и его команда направили короткие импульсы лазера, чтобы определить колебательные движения биологического объекта, такого как вирус, основываясь на его «звуке».
Стремительные удары лазера заставляют вирус вибрировать. Возникающие звуковые волны слишком тихие для того, чтобы их уловили наши уши. Поэтому команда Хавела измеряет их с помощью второго лазера. Вибрации заставляют луч второго лазера дрожать, как очень чувствительная барабанная перепонка. Учёные измеряют эти сигналы, чтобы «услышать» вирус.
На фото: Элад Хавел в своей лаборатории с оборудованием, которое составляет электронное "ухо", способное слышать и записывать звуки микроорганизмов.
Другие способы изучения микроорганизмов, такие как наблюдение за ними через микроскоп, обычно связаны с зафиксированными на месте объектами. Это делает изучение движения микроорганизмов большой проблемой, отмечает Ким Дэвис, микробиолог, работающий в Университете Джонса Хопкинса в Балтиморе, штат Мэриленд. Обычно то, что исследователи могут увидеть, изучая микроорганизмы — это «снимок того, что происходит в конкретный момент времени», говорит она.
С помощью новой технологии учёные могут собирать данные, которые менее похожи на статичное изображение и больше напоминают фильм о микроорганизмах в их среде.
Используя звук, «мы показали, что можем отслеживать отдельные вирусы и даже слышать, как разрывается вирус», — говорит Хавел. Когда вирус начинает разрываться, он отмечает, частота его звука начинает падать — «почти как у сдувающегося воздушного шарика».
Сложность идентификации отдельных штаммов
Микроорганизмы повсюду. Большинство из них не представляют особой опасности для человека. Рассмотрим вирусы. Из тысяч видов только около 270 могут поразить человека.
Однако, как отмечает Дэвис, «очень сложно определить, есть ли у микроорганизма патогенные (вызывающие болезни) свойства только лишь по его внешнему виду».
«С помощью новой системы в будущем мы сможем слышать разницу», говорит Хавел.
Однако ещё предстоит узнать много нового о звуках вирусов. Звук, который издает микроорганизм, может изменяться в зависимости от того, находится ли он на поверхности или в воздухе (похоже на то, как меняется наш голос, когда мы находимся под водой). Поэтому, «чтобы расширить наше понимание и создать базу данных, нам нужно будет провести множество экспериментов с различными вирусами в разных условиях», говорит Хавел.
Ещё одна проблема: многие микроорганизмы принадлежат к видам с большим количеством родственных представителей — штаммам, которые можно рассматривать как братьев и сестёр. Рассмотрим, например, E. coli. Эти бактерии встречаются почти повсюду. Хотя большинство из них безвредны для людей, некоторые штаммы могут вызывать серьёзные заболевания. Поскольку все штаммы E. coli имеют почти одинаковую форму и состоят из примерно одних и тех же белков, может быть сложно различить опасные и безопасные штаммы по звуку.
Чтобы выяснить это, учёным придется продолжать слушать. Как только у них появится надёжная библиотека звуков, они смогут различать большинство микроорганизмов. «Это связано с тем, что звуки микроорганизмов очень специфичны», говорит Хавел. Это похоже на то, как вы пытаетесь услышать голос друга в громком месте. Знакомый голос, вы можете отличить от других шумов.
Таким образом, впереди еще много исследований. «Это новый способ взглянуть на биологию», — объясняет Хавел. На данный момент он говорит: «Мы не знаем, что увидим, потому что очень немногие люди когда-либо это изучали».
Но однажды эта технология может оказаться полезной не только в лаборатории. Например, она может быть использована в сенсорах, установленных в аэропортах и других многолюдных местах. Эти устройства могли бы слушать беспокойные микроорганизмы и выдавать предупреждения о том, какие из них (и в каком количестве) находятся поблизости.