В крак с първия закон на роботиката: нов фотонен ефект за ускорено откриване на лекарства 

Share on facebook
Share on twitter
Share on linkedin
Share on email

В крак с първия закон на роботиката: нов фотонен ефект за ускорено откриване на лекарства 

 

Физиците от университета в Бат демонстрират нов фотонен ефект в полупроводникови наноспирали. 

При осветяване на хирални полупроводникови наночастици с кръгово поляризирана светлина (в червено), се излъчва третата хармонична светлина на разсейване на Ми (в синьо)
(Кредит: Венцислав Вълев, Килиян Вълев и Лукаш Охнутек)

  • Физици от Университета в Бат изследват за първи път нелинейните оптични свойства на полупроводниковите CdTe наноспирали и откриват нов фотонен ефект. 
  • Новият ефект разкрива хиралността на неорганичните наноматериали чрез тяхната трета хармонична разсеяна светлина на Ми. 
  • Характеризирането на хиралността се извършва в малки обеми (10-5 µl) течност, но може да се наблюдава и в обеми, като например 10-8 µl. 
  • След това екипът ще търси финансиране, за да демонстрира пряката връзка на технологията с разработването на нови фармацевтични продукти. 

Нов фотонен ефект в полупроводникови спираловидни частици с наноразмери е открит от международен екип от учени, ръководен от изследователи от университета в Бат-Великобритания. Наблюдаваният ефект може да ускори откриването и разработването на животоспасяващи лекарства. 


РЕКЛАМА:

***

В своята поредица за роботи, писателят на научна фантастика Айзък Азимов представя бъдеще, в което роботите се превръщат в надеждни спътници на хората. Тези роботи са ръководени от законите на роботиката, първият от които гласи, че “роботът не може да нарани човешко същество или чрез бездействие да позволи на човек да се нарани”. Благодарение на новото фотонно откритие, роботите може да получат шанс да предотвратят нараняването на хората по много смислен начин – като значително ускорят разработването на важни лекарства, като например нови антибиотици. 

Понастоящем Световната Здравна Организация определя антибиотичната резистентност (нарастващата неефективност на лекарствата, които в момента са на пазара) като една от 10-те най-големи заплахи за човечеството. Освен това глобализацията, съчетана с човешко посегателство в местообитанията на дивата природа, увеличава риска от появата на нови инфекциозни заболявания (като Covid-19). Общопризнато е, че разходите за откриване и разработване на нови лекарства за тези и други състояния с помощта на днешната технология са неустойчиви. Необходимостта от ускоряване на фармацевтичните изследвания никога не е била по-належаща и ще има полза от помощта на изкуствения интелект (AI). 

Професорът по физика от Бат Венцислав Вълев, който ръководи изследването, каза: Въпреки че сме все още далеч от позитронния мозък на роботите измислен от Азимов, нашето последно откритие има потенциала да свърже AI алгоритми, които анализират химически реакции и роботизирани ръце, които приготвят химически смеси – процес, известен като високопроизводителен скрининг (high-throughput screening, HTS).“

 

Задоволяване на нуждите на роботизираната химия 

Високопроизводителният скрининг е експериментален метод, който използва роботи за откриване на нови лекарства. Някои лаборатории вече са го приели, за да анализират огромни библиотеки от молекули. В бъдеще обаче откриването на нови лекарства може да се случи изцяло чрез HTS. Използвайки този метод, роботите едновременно работят с голям брой спринцовки, приготвяйки хиляди химически смеси, които след това се анализират роботизирано. Резултатите се подават обратно на AI алгоритми, които след това определят какви смеси да се приготвят по-нататък и процесът се повтаря, докато бъде открито полезно лекарство. 

Аналитичната стъпка е ключова, тъй като без нея роботите не могат да знаят какво са подготвили. 

HTS се практикува на микроплатки, които са с размерите на шоколадова таблетка. Всяка микроплатка съдържа кладенчета, в които се изсипват химическите смеси. Колкото повече ямки се намират на микроплатката, толкова повече химикали могат да бъдат анализирани на веднъж. Но въпреки че една съвременна микроплатка може да побере хиляди кладенчета, размерът на микроплатката не се променя. 

“За да отговорят на изискванията на нововъзникващата роботизирана химия, кладенчетата стават наистина малки – твърде малки за съвременните аналитични методи”, каза професор Вълев. “Така че са необходими фундаментално нови методи за анализ на бъдещите лекарства. 

“В момента повечето нови лекарства, които навлизат на пазара, са хирални (химичната им формула няма огледална симетрия), затова е особено важно да може да се измерва хиралността в малки обеми, под 1 mm3; това е с размерите на куб със страни, колкото дебелината на кредитна карта. 

Ефектът открит от изследователите позволява хиралността да се измерва в обеми, които са 10 000 пъти по-малки от 1 mm3

“Използвахме много интересен нов материал, разработен от нашите колеги от Мичиганския университет в САЩ, водени от професор Николас Котов”, обясни професор Вълев. “Това е биомиметична структура (т.е. такава, която симулира биологични явления), която химически се сглобява в полупроводникови нано-спирали, подобно на начина, по който протеините се сглобяват. 

Изследователите забелязали, че когато осветяват биомиметичните структури с инфрачервени лазерни импулси от едната страна, UV светлината излиза от спиралите от противоположната страна. И в зависимост от това по какъв начин спиралите се усукват, се наблюдава повече или по-малко от UV светлината. 

“Това означава, че чрез внимателно измерване на UV светлината можем да установим посоката на усукване (или хиралност) на структурите, които изучаваме”, обясни професор Вълев. “Нашите резултати отварят път към измерване на хиралността в обеми, потенциално 10 милиона пъти по-малки от 1 mm3. Въпреки че структурите, които измервахме досега, са много по-големи от типичните фармацевтични продукти, ние доказахме, че физическият ефект е реален, така че по принцип приложенията към молекули и особено лекарства вече са само въпрос на технологично развитие. Следващата ни стъпка е да търсим финансиране за това развитие.“ 

Докторантът Лукас Оноутек, също участващ в изследването, каза: “В нанотехнологиите едно от големите предизвикателства е да можем да видим свойствата на малките неща. В днешно време това е лесно за неподвижни обекти, но все още е трудно за обект, който свободно плува в течност. 

“Беше изключително приживяване да намалим обема на изследване толкова успешно – сега фокусираме светлината в пространство, което би било невидимо за очите на повечето хора. И в рамките на този мини-обем можем да определим посоката на усукване на спирали, които са още много по-малки.“ 

Изследването е публикувано в списание Nature Photonics. Научният проект е финансиран от Кралското Общество във Великобритания, Съвета за научни и технологични съоръжения (STFC) и Съвета за инженерни и физически научни изследвания (EPSRC). 

 

Университет в Бат 

Университетът в Бат е един от водещите университети в Обединеното кралство както по отношение на научните изследвания, така и по отношение на нашата репутация за отлични постижения в преподаването, ученето и перспективите за дипломиране. Научете повече тук: https://www.bath.ac.uk/topics/research/