Дмитрий Иванов оставил пост директора в одном из ведущих европейских научных центров, чтобы спустя 25 лет вернуться в Россию, создать лабораторию по программе мегагрантов и при поддержке РНФ разработать материалы из полимеров, которые имитируют живые ткани и смогут лечь в основу персонализированной медицины.
О науке
Последние несколько лет исследователи всего мира стремятся уподобить природе свои разработки. Ведь те механизмы и правила, с которыми «живут» биологические молекулы, оттачивались эволюцией в течение миллионов лет. Хотя мы до сих пор не можем заранее предсказать, основываясь на последовательности аминокислот, какую 3D-структуру приобретет белок после того, как свернется и начнет выполнять свою роль в нашем организме, ученые уже создают молекулы, которые могут без их инструкций собираться в нужные объекты. Дмитрий Иванов вернулся в Россию, чтобы заниматься именно такими разработками.
«Мы пытаемся создать системы, которые обладают свойством самосборки – молекулярной самоорганизации, близкой к тому, что происходит в органических молекулах в природе, – поясняет ученый. – В одной из работ, которая была в основе нашего проекта РНФ, лежала идея о самособирающихся системах, способных создавать ион-проводящие мембраны. То есть мы синтезируем некие элементарные кирпичики, которые уже содержат в себе все, что необходимо для конечной структуры, дальше они сами собираются в надмолекулярные структуры, создавая, например, ион-проводящие каналы. При этом экспериментатор не должен «объяснять» им, что делать. Полученную надмолекулярную систему из этих кирпичиков мы полимеризуем с сохранением ее внутренней структуры, превращая ее в полимерную мембрану».
Подобные самособирающиеся материалы могут послужить имплантатами для мягких тканей организма человека: жировой, соединительной, мышечной. Перед командой Дмитрий Иванова стояли две задачи: сделать искусственные материалы такими же мягкими, как естественные, и придать им такое уникальное свойство, как упрочнение при деформации.
«Если вы проведете эксперимент и захотите растянуть вашу кожу хотя бы вполовину или даже на треть длины, вам понадобятся пассатижи. Усилия, которые вам нужно приложить, будут очень и очень существенны. Это свойство называется деформационным упрочнением. Ваша мягкая ткань сопротивляется деформации и упрочняется в случае кожи примерно в тысячу раз. Это механизм, который эволюция создала для вашей защиты, иначе, шансы на ваше выживание были бы очень низкие: если бы кожа легко растягивалась, внутренние органы были бы подвержены риску», – отмечает Дмитрий Иванов.
Без этого свойства создаваемые Ивановым полимеры в составе имплантата просто травмировали бы окружающие ткани пациента. Именно такой уникальный материал – мягкий и деформирующийся – создал Дмитрий Иванов вместе со своими сотрудниками и партнерами из двух американских университетов. В прошлом году они рассказали о своем достижении в журнале Science.
Ученые сообщили, что не просто бездумно перебирали образцы материалов, подходящих конкретному пациенту. Они измеряли механические свойства биологических образцов и с помощью заранее созданных моделей определяли, какие структурные параметры нужны, чтобы синтезировать полимер, точно воспроизводящий механику этого образца. Тем самым, ученые не угадывают, а предсказывают, как создаваемыми ими системы будут вести себя, что раньше казалось просто невозможным. Такая универсальная платформа для создания материалов должна обеспечить, по словам ученых, все многообразие биологических тканей: от совсем мягких до более жестких, таких, как хрящи.
Особенно актуальны подобные разработки на фоне проблем, возникающих в медицине, которая лишь в небольшой степени считается персонализированной.
«Медицина до сих пор основывалась на принципе: один материал для всех, – напоминает ученый. – Если у вас возникла проблема с межпозвоночным диском, вам удаляют диск, вставляют вкладку из пластика, который не соответствует механике вашего диска, и в конечном счете, соседние диски тоже начинают разрушаться. Вплоть до того, что пациент может стать инвалидом. Поэтому нам нужно работать над тем, чтобы наши материалы точно соответствовали механике живых тканей и были индивидуальными для каждого пациента».
Но ученые не хотят останавливаться на разработке основы для имплантатов, они хотят создавать умные материалы. Поэтому в том же журнале они описали успешные эксперименты по приданию материалу оптических свойств, то есть заставили его приобретать ярко выраженную окраску. Действительно, для передачи сигналов природа активно использует цвет. Например, так делают хамелеоны. В зависимости от тонуса мышц хамелеона меняется расстояние между нанокристаллами гуанина в его коже, поэтому меняется цвет. Подражая этому механизму, ученые растягивали свой материал, что приводило к изменению расстояния между «светящимися» (дифрагирующими) центрами. Разрабатываемые полимеры могут помочь доставлять лекарства в организм человека. Например, можно будет делать материалы, которые реагируют на температуру пациента и изменяют свое фазовое состояние, высвобождая лекарственные вещества.
Понять, как во время исследования ведутся себя сложные объекты, в состав которых входят структуры размером до сотен нанометров, помогает синхротрон, накопительное кольцо которого имеет периметр 844 метра. Этот, наверное, самый заметный на поверхности Земли объект научной инфраструктуры, он находится во Франции, в Гренобле, на слиянии двух рек. Европейские ученые используют излучение, генерируемое при ускорении циркулирующих в накопительном кольце электронов с тем, чтобы изучить структуру объекты своего исследования.
Команда Иванова не ограничивается исследованиями на синхротронах. Ученые создают свои, действительно уникальные способы изучения образцов очень маленьких размеров, в том числе таких, которые нельзя изучать медленно, иначе, сам эксперимент поменяет их структуру и, соответственно, свойства. Поэтому команда Иванова создала сверхбыстрый калориметр, который вместе с рентгеновской дифракцией за единицы миллисекунд точно определяет, что происходит с образцом. Этот метод уже пользуется популярностью за рубежом, в частности, на синхротроне в Гренобле, и вызывает значительный интерес со стороны представителей промышленности.
«Я вижу будущее наших исследований в одновременном сочетании разных физико-химических методов, позволяющих изучать образцы весом примерно в один нанограмм и дающих информацию как об исходном состоянии образца, так и том, что с ним происходит в ходе самого эксперимента длительностью в несколько миллисекунд», – улыбается Дмитрий Иванов.
О возвращении в Россию
Дмитрий Иванов никогда не думал, что уедет из России. Он отучился в МФТИ, защитил диссертацию и собирался работать по специальности. Но в связи с распадом Советского Союза наука перестала быть приоритетным направлением, а в кармане ученого лежала стипендия, которую хватило бы разве что на два килограмма бананов на рынке, стихийно раскинувшемся напротив академического института, где работал молодой ученый. Именно для продолжения работы по специальности Иванов отправляется сначала в Бельгию, а потом во Францию.
«Вначале я не думал, что когда-то уеду из России, а потом не думал, что когда-нибудь смогу вернуться к работе на родине. Но у меня было большое желание передать свой опыт молодым в стране, в которой я родился и вырос. С появлением программы мегагрантов я понял, что такая возможность есть», – вспоминает ученый.
В 2011 году для выполнения только что выигранного мегагранта ученый «отвоевал» у вузовских профессоров комнату под лабораторию в МГУ на факультете фундаментальной физико-химической инженерии, закупил оборудование, в том числе рентгеновский прибор, аналогов которому нет в России, а в мире – единицы. Этот прибор, дифрактометр, позволяет одновременно измерять структуру образца в широком диапазоне пространственных шкал, поэтому его можно назвать миниатюрным синхротроном.
Ученый ушел с поста директора Института материаловедения в городе Мюлуз. Этот институт входит в систему французского Национального Центра Научных Исследований (CNRS), аналога Российской Академии наук.
«Я отказался от административной позиции, потому что она была трудно совместима с научной деятельностью и с работой по мегагранту», – поясняет профессор Иванов.
Ученый выполняет свою миссию и знакомит студентов и молодых ученых с ведущими мировыми специалистами. Он не только включается в работу над проектом НТИ по созданию новых топливных элементов, но и работает с разными партнерами из Европы над разработкой солнечных батарей на основе органических молекул, полимеров, превращающих соленую воду в пресную, а также над другими перспективными направлениями.
«Мы ведем кочевническую жизнь, потому что много времени проводим на выездных экспериментах. На синхротроне круглосуточная работа, мы обязаны занимать линию 24 часа в сутки. Мы сменяем друг друга, помогаем в работе, что сближает нас и делает нашу команду еще более слаженной, чем при обычном функционировании лаборатории. Там же мы знакомимся со множеством людей. Если пройти по кольцу, можно встретить специалиста практически в любой области, мне кажется, лучшего места для профессиональных знакомств не найти в Европе. Здесь самая высокая плотность научных работников на единицу поверхности, причем ученых высочайшего уровня. Думаю, это весьма полезно для молодого поколения», – считает профессор.
Лаборатория Дмитрия Иванова – одна из той части лабораторий, которая после завершения мегагранта показала свою жизнеспособность и продолжила работать. Такие форматы поддержки, как программы РНФ, помогают сотрудникам продолжать свои исследования на родине.
Недалеко от дома, где живет ученый, в Воронцовском парке, стоит старинная усадьба. Ее восстановили практически с нуля. Дмитрий Иванов любит гулять здесь, ощущать свою причастность к исторической и современной России и радуется мысли о том, что, наконец, может работать на родине и приносить пользу своей стране.
Читать подробнее: Российский научный фонд
