Близько трьох мільйонів людей у США щорічно заражаються стійкими до антибіотиків мікроорганізмами. Такі інфекції набагато складніше лікувати, і вони стають все більш і більш поширеними. Оскільки антибіотики стають все менш корисними, нам потрібна альтернатива, щоб допомогти людям боротися з цими важкопивними створіннями.
Чи знаєте ви, що слово «лазер» насправді - абревіатура?
Вчені шукають інші способи вести нескінченну війну з мікроорганізмами. Один з них може бути навіть лазером. Так, ви все правильно прочитали. Можна було б використовувати лазери, щоб розстрілювати мікробів.
По-перше, чи знаєте ви, що слово «лазер» насправді - абревіатура? Це означає посилення світла за рахунок стимульованого випромінювання (light amplification by stimulated emission of radiation) - досить громіздка назва. Сказати «лазер» певно простіше!
Принцип роботи лазера такий - просто потрібно дати атомам деяку енергію, найчастіше шляхом взаємодії об'єкта, наприклад кристала, з електрикою. Ці атоми намагаються стабілізуватися, видаляючи надлишкову енергію - що вони і роблять, випускаючи фотони, відомі як частинки світла.
Лазери можна модифікувати, керуючи потоком електрики, щоб атоми не випускали світло безперервно. Таким чином ми отримуємо різні типи лазерів. Один з них, найцікавіший для нас - це лазери з ультракороткими імпульсами.
Вони випромінюють дуже потужне світло в надзвичайно короткі проміжки часу, зазвичай на рівні фемтосекунд. Фемтосекунда - це одна квадрильйонна секунди!
Суть у тому, що лазери ультракоротких імпульсів випромінюють дійсно потужні спалахи світла. Саме завдяки цій потужності ми можемо використовувати ці лазери для знищення мікробів або, швидше, їх інактивації.
Одне недавнє дослідження показало, що ці лазери можуть вбити 99,9% стійких до антибіотиків бактерій, бактеріальних суперечок та інактивованих вірусів.
Імпульсне лазерне світло настільки потужне, що, коли воно розсіюється від об'єкта, на який потрапляє, воно викликає потужні вібрації, які можуть зруйнувати молекули об'єкта та інші частинки поблизу.
Вібрація досить сильна, щоб розірвати молекулярні зв'язки в біомолекулах, таких як білки і ДНК. Тобто, якби ви вистрілили в деякі бактерії за допомогою цього лазера, він би розщепив їх білки на молекулярному рівні.
Подібно до того, як вібрує камертон, коли ви вдаряєте по ньому, молекули білка вібрують після удару лазера. Однак білки не призначені для того, щоб неприродно вібрувати, тому вони розпадаються.
Лазер також можна використовувати для дезактивації вірусів. Ми можемо стріляти лазером по вірусних частинках, і електромагнітна енергія лазера поляризує або зарядить вірусні молекули, як і їх білки. Ця енергія змушує білки піддаватися комбінаційним коливанням. У результаті водневі зв'язки, що утримують ці біомолекули разом, розірвуться, що призведе до структурного пошкодження білка.
А людські клітини не постраждають від такого впливу? Секрет цього справедливого питання криється в потужності лазера. Існує особливе терапевтичне вікно потужності лазера - межі, в яких безпечно використовувати лазер, не пошкоджуючи наші клітини. Цей діапазон становить 1-10 ГВт/кв. м.
Клітини людини не схожі на бактеріальні клітини або вірусні частинки. Вони крупніше, складніше і щільно упаковані всіма своїми органелами. Якби ми використовували лазери з ультракороткими імпульсами більш високої потужності, це було б шкідливо для наших клітин. Віруси вимагають найменше енергії для інактивації через їх неймовірно маленький розмір. Якби ми використовували трохи більше енергії, лазер убив би і бактеріальні клітини. І тільки якщо ми продовжимо збільшувати потужність ще більше, то це може почати вражати клітини людини або ссавців.