Як беларускія лазеры дапамаглі даследаванням, за якія сёлета ўручылі Нобелеўскую прэмію па медыцыне
Сёлетнюю ўзнагароду ў галіне фізіялогіі або медыцыны прысудзілі за стварэнне метаду, які дазваляе дыстанцыйна ўключаць і выключаць асобныя клеткі нервовай сістэмы. Каб давесці гэтае адкрыццё да дасканаласці, міжнародныя навуковыя групы даследавалі структуру малекул з дапамогай лазернага абсталявання мінскай вытворчасці.
Выключальнік для думак: метафара оптагенетыкі ад Нобелеўскага камітэта. Святло здольнае імгненна актываваць ланцугі нейронаў галаўнога мозгу, адказныя за прыняцце рашэнняў і памяць. Фота: The Nobel Committee for Physiology or Medicine / Mattias Karlén
Сёлета Нобелеўская асамблея Каралінскага інстытута прысудзіла прэмію па фізіялогіі або медыцыне Карлу Дайсерату, Пітэру Хегеману і Георгу Нагелю. Афіцыйная фармулёўка камітэта адзначае іх уклад у «адкрыццё святлокіруемых іонных каналаў і оптагенетыку».
Даследаванні гэтых навукоўцаў фактычна вырашылі стагадовую праблему нейрабіялогіі: як вывучаць працу мозгу не праз пасіўнае назіранне за яго актыўнасцю, а праз дакладнае кропкавае ўмяшанне.
Лаўрэаты Нобелеўскай прэміі па фізіялогіі або медыцыне 2026 года (злева направа): Карл Дайсерат (Стэнфардскі ўніверсітэт), Пітэр Хегеман (Берлінскі ўніверсітэт імя Гумбальта) і Георг Нагель (Вюрцбургскі ўніверсітэт). Фота: Wikimedia Commons
Да з'яўлення оптагенетыкі традыцыйныя метады — электрычная стымуляцыя або лекі — дазвалялі толькі фіксаваць сувязі паміж актыўнасцю клетак і паводзінамі, але не давалі магчымасці ўстанавіць прамыя прычынна-выніковыя сувязі. Ток уздзейнічаў адначасова на ўсе тыпы клетак у зоне кантакту, а хімічныя прэпараты працавалі занадта павольна і ўплывалі на цэлыя ўчасткі мозгу адразу.
Тэхналогія оптагенетыкі ўпершыню дазволіла ўзбуджаць або тармазіць выключна зададзеныя папуляцыі нейронаў, зусім не закранаючы суседнія клеткі. Працэс ідзе ў мілісекундным маштабе часу, што дакладна супадае з натуральнай хуткасцю нервовых імпульсаў.
Менавіта гэты інструмент адкрыў шлях да разбору складаных мазгавых працэсаў на асобныя дэталі: ад высвятлення механізмаў памяці і эмоцый да разумення фізічнай прыроды неўралагічных хвароб.
Механіка оптагенетыкі: як святло кіруе нейронамі
Тэарэтычная база для кіравання асобнымі нейронамі была сфармулявана Фрэнсісам Крыкам яшчэ ў 1979 годзе. Да пачатку 2000‑х гадоў спробы стварыць такі інструмент патрабавалі складаных шматкампанентных сістэм. Напрыклад, эксперыментальная сістэма chARGe распрацоўкі Гера Мізенбёка выкарыстоўвала некалькі розных бялкоў з вока пладовай мушкі і патрабавала пастаяннага ўвядзення экзагеннага (вонкавага) хімічнага рэчыва. Гэта рабіла рэакцыю клетак занадта павольнай і непрыдатнай для дакладных эксперыментаў, нагадваючы спробу сабраць тэлевізар з асобных дэталяў непасрэдна ўнутры мозгу. Таксама выкарыстоўваліся сінтэтычныя фотапераключальнікі на аснове азабензолу, што патрабавала вельмі складанай хімічнай дастаўкі да нейронаў.
Прарыў адбыўся дзякуючы пераходу да максімальна простай аднакампанентнай сістэмы. Пітэр Хегеман і Георг Нагель ідэнтыфікавалі ў геноме зялёнай мікраводарасці Chlamydomonas reinhardtii паслядоўнасці Chop1 і Chop2, якія кадзіруюць бялкі каналарадапсін-1 і каналарадапсін-2.
Як усё пачыналася: зялёная водарасць і яе «вочка». (А) Аднаклетачная водарасць Chlamydomonas плыве на святло дзякуючы святлоадчувальнай плямцы («вочку»). (В) Навукоўцы падвялі мікрапіпетку непасрэдна да гэтага вочка. (С) Эксперымент паказаў, што нават кароткая ўспышка святла імгненна выклікае ў водарасці электрычны ток. Менавіта гэты механізм пазней лёг у аснову оптагенетыкі. Фота: Nobel Prize Outreach
Эксперыменты на аацытах (няспелых яйцаклетках) шпорцавай жабы Xenopus laevis паказалі, што гэтыя малекулы з'яўляюцца сапраўднымі святлокіруемымі іоннымі каналамі, здольнымі працаваць як біялагічныя вароты і прапускаць праз сябе зараджаныя часціцы з мілісекунднай хуткасцю.
Святло як біялагічны ключ. (А) Ген каналарадапсіну з водарасці ўбудавалі ў яйцаклетку жабы. Пад дзеяннем святла бялок-канал рассоўваецца і прапускае ўнутр станоўча зараджаныя іоны (+). (В) Графік электрычнага току: пакуль гарыць святло (шэрыя палоскі зверху) — ідзе ток; як толькі святло згасае — іонныя «вароты» імгненна зачыняюцца. Фота: Nobel Prize Outreach
Каб укараніць гэтыя вароты ў нервовую сістэму млекакормячых, лабараторыя Карла Дайсерата выкарыстала ленцівірусныя і адэнаасацыяваныя вірусныя вектары, гэта значыць абясшкоджаныя вірусы-дастаўшчыкі генетычнага матэрыялу.
Каб інтэграцыя гена адбывалася не ва ўсе клеткі запар, навукоўцы прымянілі клетачна-спецыфічныя прамотары — участкі ДНК, якія служаць «выключальнікамі» для пэўных генаў.
Гэтыя элементы дзейнічаюць як генетычныя паштовыя індэксы, дазваляючы ўбудоўваць святлоадчувальныя бялкі (апсіны) строга ў мэтавыя нейроны. Ключавой знаходкай стала тое, што ў мозгу млекакормячых ужо ёсць натуральнае «паліва» для гэтых бялкоў — усе-транс-рэтыналь (вытворная вітаміна А). Гэта пазбавіла неабходнасці штучна ўводзіць у мозг дадатковыя хімічныя рэчывы.
Механіка ўзбуджэння клеткі працуе праз фотаізамерызацыю — імгненную змену прасторавай формы бялку пад уздзеяннем святла. Калі на каналарадапсін уздзейнічае сіні прамень, яго ўнутраная малекула паглынае фатон і літаральна рассоўвае трансмембранныя спіралі бялку.
Утвораная пора прапускае ўнутр клеткі станоўча зараджаныя іоны, і такі імклівы прыток часціц змяняе электрычны зарад мембраны. У выніку гэтага біялагічнага замыкання нейрон генеруе электрычны імпульс і перадае сігнал далей.
Кіраванне нейронам з дапамогай святла. (А) Каналарадапсін убудавалі ў жывы нейрон. Кожная ўспышка святла запускае электрычны разрад (патэнцыял дзеяння). (В) Навукоўцы могуць задаваць клетцы любы рытм: успышкі святла з частатой 5, 10, 20 ці 30 разоў за секунду (Гц) прымушаюць нейрон генераваць сапраўды такую ж колькасць імпульсаў без збояў. Фота: Nobel Prize Outreach
Для адваротнага працэсу, тармажэння нервовай актыўнасці, даследчыкі адаптавалі бялкі з солелюбівых мікраарганізмаў. Пад уздзеяннем жоўтага святла яны працуюць як актыўныя помпы, сілком запампоўваючы ўнутр клеткі адмоўна зараджаныя іоны хлору або выштурхоўваючы пратоны. Назапашванне адпаведнага зарада дзейнічае як біялагічны тормаз і цалкам блакуе здольнасць нейрона перадаваць сігналы.
Аднак прыродных уласцівасцей гэтых бялкоў аказалася недастаткова для вырашэння складаных медыцынскіх задач. Навукоўцы пачалі штучна змяняць іх амінакіслотную структуру, ствараючы мутанты са спецыфічнымі характарыстыкамі. Адны мадыфікацыі дазволілі ператварыць бялок у тумблер, які ўключаецца адным светлавым імпульсам і застаецца адкрытым да моманту выключэння святлом іншага колеру. Іншыя забяспечылі звышхуткую кінетыку, здольную задаваць клетцы максімальна дакладны рытм актыўнасці.
Кіраванне паводзінамі жывёлы святлом. (А) Праз ужыўленае ў мозг мышы найтанчэйшае оптавалакно падаецца сіні лазерны прамень. (В) Эксперымент з рухам вусоў (вібрысаў): лазер стымулюе зону кары галаўнога мозгу, якая адказвае за тактыльныя адчуванні, а магнітны датчык фіксуе рух вуса. (С) Кожны сіні імпульс лазера (сіняя палоска) прымушае мыш міжволі варушыць вусамі — прамы доказ таго, што святло можа дыстанцыйна кіраваць фізічнымі рухамі жывёлы. Фота: Nobel Prize Outreach
Навошта біёлагам спатрэбіліся фізікі
Каб ператварыць оптагенетыку з лабараторнага фокусу ў рэальны медыцынскі інструмент, навукоўцам трэба было разабрацца ў самых глыбокіх малекулярных механізмах працы апсінаў.
Прыродныя бялкі выдатна падыходзяць для жыццядзейнасці мікраарганізмаў, але для лячэння чалавечых хвароб патрабуецца абсалютная прадказальнасць. Каб бяспечна ўкараняць гэтую тэхналогію для аднаўлення зроку пры дэгенерацыі сятчаткі, купіравання прыступаў эпілепсіі або кантролю трэмару пры хваробы Паркінсана, даследчыкам было неабходна дакладна ведаць, як менавіта адкрываецца іонны канал, колькі часу ён застаецца актыўным і што прымушае яго зачыніцца.
Праблема палягала ў тым, што працэс рэагавання бялку на святло зусім не падобны да простага націскання кнопкі. Пасля паглынання фатона малекула праходзіць праз фатацыкл — складаную серыю паслядоўных змяненняў уласнай структуры. Гэтыя прамежкавыя формы, якія ў навуцы называюцца інтэрмедыятамі і пазначаюцца літарамі K, L, M, N і O, існуюць толькі лічаныя долі секунды або нават мікрасекунды. Напрыклад, менавіта на этапе ўтварэння інтэрмедыяту M адбываецца перанос зарада і непасрэднае адкрыццё канала, пасля чаго бялок імкліва вяртаецца ў зыходны стан.
Убачыць такія імгненныя трансфармацыі ў звычайны мікраскоп немагчыма. Каб зафіксаваць малекулярныя змены, якія адбываюцца за тысячную долю секунды, біёлагам спатрэбіўся інструментарый квантавай фізікі, а менавіта метады лазернага імпульснага фатолізу і часава-раздзяляльнай спектраскапіі.
Сутнасць гэтага падыходу патрабуе ідэальнай сінхранізацыі. Магутны і вельмі кароткі лазерны імпульс павінен адначасова ўдарыць па ўзоры бялку, каб запусціць фатацыкл ва ўсіх малекулах адразу. У гэты ж момант іншы светлавы прамень бесперапынна прасвечвае ўзор, а спектрометр фіксуе найменшыя змены ў паглынанні святла на розных даўжынях хваль.
Толькі такая хуткасная малекулярная здымка дазваляе зразумець, якія менавіта амінакіслоты варта змяніць пры штучным мутагенезе, каб падоўжыць або скараціць час працы бялку. Аднак для правядзення падобных эксперыментаў біялагічным лабараторыям спатрэбіліся крыніцы святла з унікальнымі характарыстыкамі — лазеры, здольныя выдаваць нанасекундныя імпульсы дакладна зададзенай магутнасці без найменшых збояў у часе.
Беларускія лазеры ў даследаваннях апсінаў
Рашэнне праблемы звышхуткай малекулярнай здымкі запатрабавала абсталявання, здольнага генераваць магутныя і максімальна стабільныя светлавыя імпульсы.
Лазер мадэлі LS-2134UTF. Фота: LOTIS TII
Канкрэтныя сведчанні выкарыстання мінскіх лазераў зафіксаваныя ў фундаментальных навуковых працах, якія падрабязна расшыфравалі механіку оптагенетыкі. Сярод іх — даследаванні структуры бялкоў, праведзеныя вядучымі міжнароднымі калектывамі біяфізікаў у прамым суаўтарстве з самім сёлетнім нобелеўскім лаўрэатам Пітэрам Хегеманам.
Каб зафіксаваць кінетыку святлоадчувальных бялкоў, даследчыкі наўпрост выкарыстоўвалі цвердацельны Nd:YAG лазер мадэлі LS-2134UTF і сістэму параметрычнага генератара святла LT-2214 вытворчасці беларускага прадпрыемства LOTIS TII.
LT-2214-PC. Фота: LOTIS TII
На практыцы гэты фізічны працэс выглядае наступным чынам. Каб запусціць фатацыкл у бялку і не прапусціць ніводнай мікрасекунды яго структурных змен, навукоўцам быў патрэбны імпульс святла даўжынёй усяго каля 7 нанасекунд. Беларускі лазер генеруе магутны базісны імпульс, які затым праходзіць праз параметрычны генератар. Гэты дадатковы модуль дазваляе фізікам плаўна змяняць даўжыню хвалі і наладжваць, напрыклад, дакладна 470 нанаметраў для атрымання ідэальнага сіняга колеру.
Такі дакладны лазерны стрэл адначасова запускаў рэакцыю ва ўсіх малекулах лабараторнага ўзору. Адразу пасля гэтага спектрометры крок за крокам запісвалі, як дэфармуецца спіраль бялку і як утвараецца іонная пора. Менавіта дзякуючы гэтым вымярэнням нейрабіёлагі змаглі зразумець, якія канкрэтна амінакіслоты адказваюць за хуткасць працы каналарадапсінаў. Тэхнічная надзейнасць мінскіх установак забяспечыла тую самую беспамылковую фіксацыю прамежкавых станаў бялку, без якой ператварэнне оптагенетыкі з цікавага біялагічнага феномена ў працоўны медыцынскі інструмент было б проста немагчымым.
Што такое LOTIS TII
Будынак кампаніі LOTIS TII на Кастрычніцкай вуліцы ў Мінску. Фота: Яндэкс Карты
У лютым 2026 года беларуска-японскае прадпрыемства LOTIS TII адзначае сваё трыццацігоддзе. Яго гісторыя пачалася, калі група выпускнікоў фізічнага факультэта Беларускага дзяржаўнага ўніверсітэта і былых супрацоўнікаў Інстытута фізікі Акадэміі навук БССР на чале з Уладзімірам Конанавым пачала самастойна распрацоўваць тэхніку.
У 1996 годзе яны аб'ядналі намаганні з кампаніяй Tokyo Instruments, утварыўшы сумеснае прадпрыемства.
Цяпер офіс і вытворчасць кампаніі знаходзяцца ў Мінску на вуліцы Кастрычніцкай, 17.
Паводле афіцыйных дадзеных, за час працы прадпрыемства паставіла больш за 1600 лазераў і лазерных сістэм у 34 краіны свету. Тэхніка экспартуецца пераважна ў навуковыя цэнтры Японіі, ЗША і Еўропы, забяспечваючы высокадакладным абсталяваннем лабараторыі, якія займаюцца фундаментальнай фізікай, біялогіяй і медыцынай.
Дзве рэальнасці беларускай оптыкі
Сучасная беларуская аптычная школа з'яўляецца прамым спадчыннікам навукова-прамысловай базы Савецкага Саюза. У той час БССР фактычна выконвала ролю высокатэхналагічнага інтэлектуальнага зборачнага цэха ўсёй краіны, што дазволіла сфарміраваць магутны кадравы патэнцыял у галіне лазернай фізікі і прыборабудавання. Аднак сёння гэтая тэхналагічная спадчына выкарыстоўваецца ў дыяметральна супрацьлеглых кірунках.
Калі адна частка беларускіх вытворцаў працуе на стваральныя мэты і забяспечвае абсталяванне для сусветных медыцынскіх адкрыццяў, іншая абслугоўвае расійскія інтарэсы ў вайне з Украінай.
Буйныя дзяржаўныя прадпрыемствы, такія як «БелОМА», «Пеленг» і Навукова-тэхнічны цэнтр «ЛЭМТ», сканцэнтраваны на выкананні абаронных заказаў для расійскага ваенна-прамысловага комплексу. Паводле звестак расследвальнікаў, аб'ём паставак прадукцыі ваеннага і двайнога прызначэння з Беларусі ў Расію вымяраецца сотнямі мільёнаў долараў.
Беларускія заводы масава вырабляюць прыцэлы наводчыка «Сасна-У» і цеплавізійныя сістэмы для расійскіх танкаў Т-72 і Т-90, сістэмы кіравання агнём, а таксама аптычныя блокі для бранятэхнікі і гранатамётаў. У выніку інтэграцыі ў вытворчасць расійскага ўзбраення гэтыя кампаніі былі ўнесены ў санкцыйныя спісы Еўрасаюза, ЗША і Вялікабрытаніі. Тэхналагічны патэнцыял галіны, які здольны забяспечваць інструментамі сусветную навуку, у гэтым дзяржаўным сегменце аказаўся цалкам пераарыентаваным на патрэбы ваеннай прамысловасці суседняй краіны, што прывяло да абмежавання доступу да заходніх кампанентаў і глабальных рынкаў.