Масс-спектрометрия: от вирусологии до археологии

Ольга Орлова
Ольга Орлова

Определить, из каких молекул и атомов состоят вещества, — одна из главных научных задач, которая стояла перед человечеством. Подход к ее решению ученые нашли в начале XX века, когда появилась масс-спектрометрия. Сегодня с помощью своеобразных «молекулярных весов», которые могут «взвесить» разные молекулы и разделить их по массам, специалисты уже умеют определять границу опухоли, обнаруживать яды и допинги в организме человека и надежно детектировать вирусы. Как это работает? Рассказывает член-корреспондент РАН, полный профессор Сколтеха и заведующий лабораторией масс-спектрометрии Сколковского института науки и технологий Евгений Николаев, гость программы «Гамбургский счет» научной журналистки Ольги Орловой на Общественном телевидении России.

Полная версия. В .pdf и в бумажной газете опубликована сокращенная.

— Евгений Николаевич, в этом году исполнилось 125 лет со дня рождения Николая Семёнова. Он единственный российский нобелевский лауреат по химии. И вклад его в науку был огромен. В частности, он был основателем такого важного научного метода, как масс-спектрометрия. В каком-то смысле, наверное, вас можно назвать научным внуком Семёнова. Давайте начнем с самого главного. В чем заключается суть этого метода?

Евгений Николаев
Евгений Николаев

— Да, я ученик ученика Николая Николаевича…

Суть метода вот в чем. Он позволяет «взвесить» молекулы, то есть измерить их массы. Что такое весы, все знают. Мы можем предметы, находящиеся в этой студии, взвесить на весах и, например, сказать, что это не стул, а это не стакан по весу. Но в микромире мы не видим предметы. Нам помогает то, что в микромире всё сделано из атомов, и каждый из атомов имеет свой уникальный вес. Вес — как бы метка атома. И как бы мы ни комбинировали эти атомы в молекулы, мы можем в конце концов, решая определенные математические уравнения, узнать, из каких атомов эта молекула состоит, если мы точно ее взвесим. Таким образом мы определяем, что это за вещество.

В микромире мы не можем воспользоваться весами. Мы разделяем молекулы в электромагнитных полях. Мы даем молекуле заряд. Если мы отнимем один электрон у молекулы, она зарядится положительно — это будет положительный молекулярный ион, частица, которой можно манипулировать. И если мы молекулу вещества ионизуем, то дальше мы можем его ускорить в электрическом поле. В электрическом поле они не разделяются по массам. А если мы введем ускоренные частицы в магнитное поле, они начнут отклоняться по-разному. И частицы малой массы отклоняются сильнее, чем частицы большой массы. А дальше мы можем их направить на какой-нибудь флуоресцирующий экран либо на фотопластинку, как в первых экспериментах. И мы увидим засветку в тех местах, куда они попадут. Так были устроены первые масс-спектрометры. Николай Николаевич Семёнов создал первый в Советском Союзе масс-спектрометр. Это произошло в 1924 году. Он формально был третьим в мире. Первым был масс-спектрометр Томсона — Астона в Кавендишской лаборатории, вторым — Артура Демпстера, который работал в Чикаго.

— А Семёнов работал в Ленинграде?

— Да, он работал в Физико-техническом рентгенологическом институте Иоффе заместителем по хозяйственной части.

— Ничего себе завхоз!

— Ну да. Но перед этим был коневодом в армии Колчака.

— То есть его участие в Белой гвардии не способствовало карьере в советской науке. Но тем не менее и не помешало стать нобелевским лауреатом.

— Совершенно верно.

— Но вернемся к нашей теме… В Советском Союзе начали выпускать в промышленных масштабах масс-спектрометры. И сначала они попали на ядерные комбинаты?

— Да, это правильно. Отсчет появления масс-метрии мы ведем с 1913 года, когда Томсон опубликовал работу «Положительные лучи электричества и их применение в химии». Он показал перспективу, как применять масс-метрию в химии. Николай Николаевич тоже за это ухватился. Первый масс-спектрометр был создан для решения химических задач, хотя он был физиком. Его интересовало в то время исключительно взаимодействие электронов с молекулами. А в 1921 году к Николаю Николаевичу в лабораторию пришли очень талантливые студенты. Юлия Борисовича Харитона все прекрасно знают, потому что он заменил Курчатова во главе атомного проекта. Харитон был самый младший. Кроме того, был Виктор Николаевич Кондратьев, который потом в Химфизике был долгое время до конца своей жизни сотрудником Николая Николаевича, правой его рукой. Ну и был еще Вальтер. И вот эти трое ребят освоили территорию, поставили печку-буржуйку и начали делать масс-спектрометр. А идею, скорее всего, принес Петр Леонидович Капица, потому что он проработал у Резерфорда в Кавендишской лаборатории, и он видел там масс-спектрометр Томсона — Астона.

— Есть знаменитый портрет Капицы и Семёнова, как раз 1921 года, где Николай Николаевич держит рентгеновскую трубку.

— Да, Кустодиев попросил их принести что-нибудь научное.

Борис Кустодиев. Портрет профессоров Капицы и Семёнова. 1921 год
Борис Кустодиев. Портрет профессоров Капицы и Семёнова. 1921 год

— Кустодиев спросил: «Вы собираетесь стать нобелевскими лауреатами?» Они сказали: «Да». Жаль, что художник умер в 1927 году и не дожил до того, как молодые люди выполнили обещание…

— Капица принес ему мешок муки и петуха, которых они заработали, чиня мельницу. И Кустодиев был очень доволен.

Итак, масс-спектрометр — это был дипломный проект Виктора Николаевича Кондратьева. А потом они все разъехались. Кондратьев уехал в Германию. И прибор остался бесхозным. Пригласили англичанина Элтинтона, для того чтобы исследовать с помощью масс-спектрометра радикалы. Это вообще был самый первый метод, примененный для исследования радикалов.

Николай Николаевич Нобелевскую премию получил как человек, который открыл разветвленные цепные реакции. И они ведутся радикалами. Эти частицы очень реактивные, они размножаются и ведут эти цепи. Происходит взрывообразный процесс. Но никто тогда не понимал механизма. И очень хотелось понять.

Элтинтона пригласили с подачи Харитона, который знал его по Англии. Элтинтон провел со своей семьей несколько лет в Ленинграде. С 1931 по 1935-й, по-моему, они там жили. И даже есть книжка его дочки Долли, где она вспоминает, как им хорошо жилось в России.

Николай Николаевич увлекся окислением фосфора. Возник спор между химиками (возможно/невозможно), и он доказал, что это возможно. За это он Нобелевскую премию и получил. Масс-спектрометрия осталась в стороне до конца войны, когда в 1945-м с фронта пришел выпускник химфака МГУ Виктор Львович Тальрозе.

— Ваш научный руководитель.

— Да. И он с энтузиазмом начал разрабатывать это направление. Параллельно он участвовал в испытании атомного оружия на Новой Земле. Химфизика отвечала в атомном проекте за инструментарий, за измерение эффектов, вызываемых взрывом. Всех мобилизовали туда. Однако Виктор Львович всякий раз возвращался к занятиям масс-спектрометрией.

— С тех пор прошло 80 лет. Масс-спектрометрия применяется в самых разных научных областях, включая и космические исследования, и медицину. Если бы сегодня Семёнов пришел к вам в Сколтех, что бы вы ему рассказали? Ведь 80 лет — это целая научная вечность.

— Я бы здесь уточнил — Семёнов какого возраста? Потому что Семенов 70 лет прожил в науке.

— Вы с Семёновым какого года хотели бы встретиться?

— Я бы предпочел два года в его жизни. Это 1924-й, когда они сделали масс-спектрометр. Тогда они все были очень воодушевлены этим достижением. И потом 1956 год, когда он получил Нобелевскую премию. И, кстати, есть хроника ТАСС того времени. Николай Николаевич показывает корреспонденту радикальный масс-спектрометр. Это его первая любовь. Несмотря на то, что он ушел в другую область. Он, конечно, очень надежных людей на этот фронт отправил… У Тальрозе абсолютно мировая известность. Он открыл ион метония, связанный с ним новый метод ионизации и так далее. Масс-спектрометрия была в надежных руках. Но Семёнов всё время присматривал. Советские масс-спектрометры экспонировались на научных выставках в Нью-Йорке, Брюсселе. И это была гордость нашей отечественной науки. Потом они выпускались в огромном количестве.

— Сегодня масс-спектрометры в России выпускаются в промышленном масштабе?

— Нет. Немножко их производят в Санкт-Петербурге для атомной промышленности. Но это частные заказы, относительно простые изотопные масс-спектрометры.

— Почему?

— Потому что это невыгодно делать. Понимаете? Я приведу пример. Два года назад Институт органической химии купил топовый масс-спектрометр за 350 миллионов рублей. Это по тем деньгам примерно шесть миллионов долларов. В Америке стоит полтора миллиона долларов. Где эти четыре с половиной миллиона доллара? Задайте себе вопрос. То есть деньги, которые выделяются академии наук, не идут в академию наук, они идут в структуры, которые продают эти приборы. Если бы эти деньги дали, то такие приборы сразу бы возникли.

Александр Михайлович Сергеев, президент академии наук, чуть ли не на первом общем собрании, где он выступал со своими планами, возмущался этим. Почему научные приборы, которые мы покупаем за рубежом, стоят минимум в два раза дороже? В этом примере — в четыре раза дороже, и всё по закону… Но что-то больше к этому вопросу не возвращался.

— Интересно, как бы вы объяснили Николаю Семёнову то, что в его времена масс-спектрометры выпускались в промышленных масштабах, а сейчас это невыгодно.

— Потому что тогда следили за этим. Сейчас говорят, что это чисто экономический вопрос. Что, конечно же, не так. И нужна воля людей, которые в правительстве отвечают за обеспечение науки приборами. Сейчас со всех трибун говорят, что у нас наука не обеспечена отечественными приборами. Ей нужно развивать отечественное приборостроение. Но никто пальцем о палец не ударит, чтоб это делать.

— Давайте вернемся к возможностям масс-спектрометрии сегодня. Что бы вы рассказали Семёнову 1956 года, который стал нобелевским лауреатом? От чего бы он пришел в изумление?

— Что бы для него было нового? Это, несомненно, взрывное вхождение масс-спектрометрии в медицину и биологию. Это так называемые постгеномные технологии. После его смерти по чистой масс-метрии было дано три Нобелевские премии. Одна — немцу Вольфгангу Полю за изобретение квадрупольного метода анализа масс, а две другие — за ионизацию больших молекул. В разряде, или когда мы ударяем электроном по молекуле, мы ее разрушаем и теряем информацию о ее массе. А Коити Танака (японец) и Джон Фенн (американец) изобрели метод неразрушающей ионизации очень больших молекул. Любой белок или даже вирус можно сейчас ионизовать и в масс-спектрометр засунуть. Этот метод позволяет ионизировать молекулы любого размера. Например, белки. У нас есть белки маленькие, с массой примерно 1 000 масс атома водорода, а есть с массами в миллионы масс водорода. Вирус — это примерно 20–50 миллионов масс водорода. Думаю, Семёнов, как и все мы тогда, был бы удивлен такому методу ионизации. И сразу бы мысль заработала, как это всё применить в биологии. Наверное, это сейчас основное, что произошло за последние годы.

— С другой стороны, масс-спектрометрия в медицине — это довольно дорогой метод. Почему он получил такое распространение, когда есть гистология, есть анализ на антитела?

— Во-первых, антитела, иммуногистохимия — это анализ белков. Что делает гистолог? Он делает срез ткани. Потом он как-то распыляет покрашенное антитело к определенному белку. Если вы пойдете в Центр гистологии какого-нибудь крупного, хорошо оснащенного института, скажем, Московского научно-исследовательского онкологического института имени Герцена, у них всего антител на 300 белков. Это много. Но всего на 300. И вы будете последовательно делать срезы и искать тот белок, который вам нужен. Современные методы получения масс-метрических изображений с помощью лазера точечно ионизуют всю ткань, и из каждой точки они получат множество ионов, и вы увидите в масс-спектрах ионов из этих точек все белки сразу. Это как бы универсальное антитело.

— Получается, это намного быстрее.

— И намного информативнее. Кроме того, метаболиты очень важны. Метаболомный профиль. Вы с помощью масс-спектрометра сразу видите всю картину, все липиды. Это может быть сделано неинвазивно. Скажем, моча, слюна, слеза, пот — это всё объекты анализа. И вы на масс-спектрометре всё это можете увидеть.

Например, если вы бы пришли в нашу лабораторию и мы бы тампончиком взяли со лба мазок и сунули в масс-спектрометр, мы бы узнали, что вы пьете — кофе или чай, какие вы лекарства употребляете. Сейчас по заданию московского правительства мы делаем анализ сточных вод в учреждениях. Например, школу берем. И мы видим абсолютно всю картину: есть ли в школе наркота, кто чем болен. Когда эпидемия коронавируса, просто можно взять сточные воды и увидеть картину развития эпидемии. Это пока продемонстрировали с помощью анализа полинуклеотидов, но можно сделать и на масс-спектрометре. Причем это очень быстрый анализ. Ну, вы знаете, что весь допинг-контроль проводится на масс-спектрометрии.

— А вот археологи. У них часто стоит такая проблема, когда, например, в раскопках появляется закрытый сосуд, состав которого непонятен. Вы с археологами работаете?

— Мы хотим с ними работать. Но мы никак не можем найти интересную нам и им общую задачу. У меня есть очень активный сотрудник, Юра Костюкевич. Он ездил на Тамань и притащил оттуда нефть из амфоры. И мы эту нефть анализировали. 450 лет до нашей эры. Ведь асфальты использовались для бальзамирования. Все мумии (египетские и так далее) в этих асфальтах. В общем, масс-спектрометр может определить, откуда асфальт. Самые лучшие асфальты (или битумы) были из Мёртвого моря. Но там еще были источники. И тогда, в древние времена, это очень ценилось. Потом художники использовали эти асфальты. И по анализу можно определить место происхождения и торговые пути.

— То есть вам от археологов нужна какая-то серьезная задача?

— Инициатива нужна от них, чтобы они к нам пришли. Потому что мы много чего умеем. Но для археологов очень важна масс-спектрометрия при датировке. Вы помните Туринскую плащаницу, да?

— Да, конечно.

— Утверждали, что ей 2 000 лет. Оказалось, что ей 700–800 лет. Это сделали с помощью ускорительного масс-спектрометра.

— Масс-спектрометрия — это бесконечный источник разочарований.

— В этом случае — да.

— Евгений Николаевич, зачем масс-спектрометры запускают в космос? Что они там определяют?

— О, это очень важная тема. И важная в том числе для меня, потому что мы делаем масс-спектрометры для космоса. Но самая недавняя миссия была на комету Чурюмова — Герасименко. Туда летали четыре масс-спектрометра. К сожалению, они там не заработали, потому что аппарат в расщелину попал и не мог использовать солнечную энергию для производства необходимой электрической.

Хотели пролить свет на вопрос о происхождение жизни, происхождение хиральной поляризации (или асимметрии). Мы все состоим из белков. Белки состоят из аминокислот. Аминокислоты имеют такую характеристику, как хиральность. Вот есть левая рука, есть правая рука. Они являются зеркальным отражением друг друга. Но вы их никак не позиционируете так, чтобы они совпали. Природа использует 20 аминокислот, и 19 (кроме глицина) хиральны. И в нас только левые аминокислоты. Это загадка происхождения хиральной асимметрии и вообще происхождения жизни. В первую очередь это проверка гипотезы панспермии. Занесена жизнь на Землю из космоса или нет? А в кометах органика первородная и вода.

Но сейчас появилась и другая идея. Есть основания считать, что на полярных областях Луны есть вода, есть лед и есть органика. Дело в том, что кометы, которые падают на Луну со всех сторон, несут эту первородную органику и воду. Ну а дальше те области Луны, которые обращены к Солнцу, выгорают. А вот в полярных областях, куда лучи Солнца не проникают, там в кавернах вода в виде льда. Надо туда полететь и ее анализировать.

Мы сейчас такой масс-спектрометр сделали. И ждем, когда Роскосмос на нас обратит внимание. Планируется новая лунная программа. Аппараты будут привозить на Землю лунный грунт и дальше в лабораториях анализировать. Но можно и на месте анализировать. Современная масс-спектрометрия развивается.

— Вы сами как оцениваете вероятность того, что будут найдены следы органики и следы жизни?

— Следы органики, несомненно, будут найдены. Например, Мурчисонский метеорит — там огромное количество органики. Она, несомненно, там есть. Но как от органики протянуть логическую цепочку к жизни — это нетривиальный вопрос. Многие ученые этим вопросом занимаются. Правда, если вы посетите конференцию по происхождению жизни, то там будет наибольшее количество полусумасшедших идей. Однако в этой области нужны нетривиальные идеи.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

См. также:

Подписаться
Уведомление о
guest
0 Комментария(-ев)
Встроенные отзывы
Посмотреть все комментарии
Оценить: 
Звёзд: 1Звёзд: 2Звёзд: 3Звёзд: 4Звёзд: 5 (5 оценок, среднее: 4,20 из 5)
Загрузка...
 
 

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: