Из живых клеток создали автономный лазер

Лазеры уже давно применяются в медицине и биологических исследованиях. Например, при помощи лазерных зондов можно наблюдать перемещение отдельных клеток в организме. Но к сожалению, существующие зонды работают в широком диапазоне частот, и их сигналы зачастую сложно отличить от фонового излучения молекул организма.

Это существенно затрудняет использование нескольких зондов одновременно. Для решения проблемы учёные давно пытаются превратить сами клетки в миниатюрные лазерные установки с узким диапазоном излучения.

Впервые физики заявили о создании биологического лазера в 2011 году, но на самом деле, это было правдой лишь отчасти. Дело в том, что любой лазер состоит из трёх компонентов: источника энергии, рабочего тела и оптического резонатора, обычно представляющего собой систему зеркал. В предыдущей работе учёные из Гарвардской медицинской школы (HMS) внедрили в клетки человека флуоресцентный белок медузы и использовали их в качестве рабочего тела лазера. Однако для получения луча клетки необходимо было помещать между стёклами резонатора.

В новой работе, опубликованной в издании Nature Photonics, та же команда продемонстрировала полностью автономный микролазер, созданный из клеток кожных покровов свиньи. Сок Хён Юн (Seok Hyun Yun) и Матьяж Хумар (Matjaz Humar) добавили флуоресцентный краситель в крошечные капли жира, которые в большом количестве содержаться в клетках подкожного жира животных. Затем исследователи активировали краситель с помощью коротких импульсов света. В результате белок излучал свет, а капли жира играли роль линз резонатора, усиливая свет и заставляя клетку светиться.

Во время работы клеточный лазер выделял незначительное количество тепла в пределах одного градуса по Цельсию, что допускает его использование в живом организме.

"Мы давно были заинтересованы в создании лазеров из биологических материалов, — говорит Юн. — Теперь мы можем установить лазер прямо в клетки, а затем поместить их в тело".

В будущем новая технология позволит одновременно наблюдать перемещение множества отдельных клеток внутри организма. Например, с помощью лазера можно помечать клетки раковой опухоли, чтобы отслеживать распространение метастаз.

Помимо этого учёные обнаружили, что по характеру свечения можно судить о процессах, протекающих внутри самих клеток. В ходе испытаний системы они обнаружили, что излучающие свойства капель жира сильно зависят от различных условий. Например, регистрируя изменения в длине волны, специалисты смогли измерить давление, которое испытывает клеточный каркас – цитоскелет.

Совсем недавно другая команда физиков и биологов из Сент-Эндрюсского университета (University of St Andrews) также заявила о создании автономной внутриклеточной лазерной системы. Как сообщается в статье, опубликованной в издании Nano Letters, исследователи помещали в клетки миниатюрные пластмассовые шарики, покрытые флуоресцентным белком.

Так же как и в исследовании Гарвардских учёных, краситель активировали световыми импульсами, после чего свет резонировал и усиливался внутри шарика до активизации лазерного эффекта. Частота излучения такого лазера также лежала в очень узком диапазоне и изменялась в зависимости от размера шариков. Правда, на сегодняшний день эта технология работает только внутри клеток, выращенных в лаборатории, но авторы работы ищут способ внедрить микролазеры и в живой организм.