Зрение бабочек помогло «увидеть» раковые клетки
Природа часто вдохновляет ученых на изобретения. Очередной пример тому — новый датчик изображения, позволяющий «видеть» в ультрафиолетовом диапазоне, недоступном для человеческого глаза. Сенсор, чей принцип работы биоинженеры «подсмотрели» у бабочек, дал возможность различать здоровые и пораженные раком клетки почти с 100-процентной точностью.Большинство людей обладают трихроматическим зрением, при котором все различаемые глазом оттенки формируются из комбинаций трех базовых цветов: красного, зеленого и синего. Общий предок всех позвоночных имел тетрахроматическое зрение и различал больше цветов (а также, вероятно, видел в более широкой части спектра), однако конкретно млекопитающие, в связи с ночным образом жизни во времена динозавров, стали дихроматичными и лишь у приматов смогли частично восстановить потерянное (наше зрение трихроматично). У бабочек же глаза вовсе фасеточные, с шестью или более классами фоторецепторов с разной спектральной чувствительностью.
К примеру, бабочки вида Парусник ксут (Papilio xuthus) воспринимают не только синий, зеленый и красный, но еще фиолетовый, ультрафиолетовый и широкополосный свет. Кроме того, у них есть флуоресцентные пигменты, способные преобразовывать ультрафиолетовый свет в видимый, что позволяет бабочкам воспринимать его фоторецепторами. Благодаря перечисленным механизмам Papilio xuthus видят окружающий мир в широком спектре цветов и деталей. Подобно тому, как люди распознают оттенки синего и зеленого, эти бабочки могут различать УФ-излучение разного диапазона.
Находясь под впечатлением от особенностей зрительного аппарата Papilio xuthus, команда биоинженеров из США и Китая создала датчик изображения, имеющий сходные с ними возможности. В своей разработке, исследование о которой опубликовал журнал Science Advances, ученые использовали сочетание тонкого слоя металлогалогенных нанокристаллов перовскита и трех расположенных друг над другом кремниевых фотодиодов.
Нанокристаллы перовскита — вид полупроводниковых нанокристаллов с превосходными оптическими свойствами, что делает их привлекательными для использования в современных лазерных системах. Также в последние несколько лет их применяют в производстве фотоэлементов и светодиодов. Нанокристаллам перовскита свойственна повышенная чувствительность к ультрафиолету и еще более коротковолновому свету, чем не отличаются традиционные кремниевые датчики.
В созданном инженерами сенсоре слой из нанокристаллов перовскита поглощает УФ-фотоны, а затем переизлучает флуоресцентный свет в видимом диапазоне (в зеленой части спектра), который потом улавливают многослойные кремниевые фотодиоды. Обработка этих сигналов позволяет фиксировать и распознавать те или иные характерные особенности входящего УФ-излучения.
В пораженных раком тканях в более высоких концентрациях, чем в здоровых, присутствуют различные биомаркеры — ароматические аминокислоты, белки и ферменты. Под воздействием УФ-излучения они начинают флуоресцировать, что называют автофлуоресценцией. Из-за разницы в концентрации маркеров раковые и здоровые клетки различаются по спектральным характеристикам, что видно по их свечению в ультрафиолете. С помощью нового датчика изображения исследователи смогли визуально распознать маркеры рака в пораженных тканях и отличить их от здоровых с достоверностью 99%.
Авторы изобретения предположили, что его можно будет использовать во время операций. При удалении раковой опухоли перед хирургами часто встает непростой выбор: насколько обширный участок нужно удалить, чтобы не оставить пораженных тканей. Новый датчик способен облегчить принятие таких решений. Возможны и другие варианты применения — например, связанные с военной сферой и промышленной автоматизацией.