Stfw.RuДалее по инициативе Национального исследовательского центра "Курчатовский институт", возглавляемого Михаилом Валентиновичем Ковальчуком. Институт также выступил координатором научных программ российских исследователей, Россия выделяет на проект 306,4 миллиона евро, и только за последние три года была перечислена почти треть этой суммы - около 6,5 миллиарда рублей.
Лазер за миллиард: зачем Россия вкладывается в научные мегапроектыРентгеновское излучение используют для исследования структуры молекул уже почти сто лет. Тому способствует малая длина волны этой части электромагнитного спектра - порядка одного ангстрема (одна десятая нанометра). Фотоны просто рассеиваются на кристаллической решетке и создают на детекторе дифракционную картину, по которой с помощью программного обеспечения восстанавливают трехмерную структуру молекулы. Еще в середине XX века рентген помог понять, как устроена ДНК.
Раньше ученые использовали рентгеновские трубки, теперь к их услугам источники рентгеновского излучения большой яркости, которое образуется в кольцевых ускорителях электронов - синхротронах. Поэтому и излучение называют синхротронным.Сгусток электронов в кольце разгоняется до околосветовых скоростей, испуская фотоны с разной длиной волны - вплоть до рентгеновского диапазона. Его отводят в каналы, где облучают образцы, а детекторы излучения фиксируют данные об атомном строении молекул. За сеанс можно проводить десятки различных опытов.Если на пути электронного сгустка, который крутится в кольце, установить ряд сильных магнитов - ондуляторов, превращающих траекторию в синусоиду, -то качество сопутствующего излучения можно многократно повысить.Мощный линейный ускоритель вместо синхротрона позволяет сформировать сгусток электронов очень высокой плотности и отличного качества. В длинном ондуляторе его излучение воздействует на электроны, усиливается и поступает очень короткими импульсами, превращаясь, по сути, в лазер огромной интенсивности. Теоретически всю его энергию можно сосредоточить в пятне диаметром порядка длины волны - одна десятая нанометра. Это и есть XFEL. А явление самоусиливающейся спонтанной эмиссии, лежащее в его основе, открыли в 1980-м советские физики из Новосибирска Анатолий Кондратенко, Ярослав Дербенев и Евгений Салдин.
"В то время наша работа выглядела как научная фантастика. Рецензент из журнала Nuclear Instrument and Method Journal так и написал в отзыве на статью, что это все „science fiction". И добавил: „Но кто знает, что будет через двадцать лет". Поэтому публикация состоялась", - продолжает ученый.Публикации в зарубежных журналах принесли Салдину мировую известность. Он собрал вокруг себя группу молодых энтузиастов и следующие десять лет разрабатывал тему, которая в 1999 году завершилась монографией The Physics of Free Electron Laser.Последующее развитие физики показало правоту новосибирцев. Квантовые лазеры быстро вытеснили FEL в оптическом диапазоне. Напротив, лазеры на свободных электронах в рентгеновском диапазоне (XFEL) с большим коэффициентом усиления приобрели популярность во всем мире, несмотря на большие размеры и стоимость. За последние два года XFEL ввели в строй в Германии, Южной Корее, Швейцарии.Сверхзадача по расшифровке белковЗадержка с финансированием стоила Европе приоритета. Первыми XFEL запустили США (установка LCLS в Стэнфорде) - и в 2012 году расшифровали с его помощью структуру белка, вызывающего африканскую сонную болезнь. Однако Евгений Салдин не считает это крупным научным прорывом. По его мнению, структуры белков расшифровывают на источниках специализированного синхротронного излучения (ИССИ) примерно по две тысячи в год. Всего на данный момент определено около ста тысяч структур из более чем двухсот миллионов.
Другое дело - расшифровка всех биологически активных белковых структур. Сделать это на обычных ИССИ невозможно. Чтобы исследовать биомолекулу, нужно ее превратить в кристалл. Но лишь малая часть белков поддается этой процедуре. Проблема и в том, что кристалл должен быть достаточно крупным. Размеры уменьшили благодаря ИССИ последнего поколения, что несколько расширило круг изучаемых белков, но предел уже был достигнут."При рассеянии фотонов на образце идет их поглощение, которое разрушает молекулу задолго до того, как нужную информацию унесет рассеянное излучение. Тогда был предложен новый метод - diffraction before distruction (дифракция до разрушения). Применить его можно только на XFEL", - поясняет Евгений Салдин.В Стэнфорде, например, удалось уменьшить размер кристаллов до десяти микрон и умещать в них до десятка тысяч молекул белка."Это расширяет круг белков, структуру которых можно расшифровать, но незначительно", - подчеркивает ученый.Кардинальное решение проблемы - в том, чтобы определять структуру белка по одной молекуле, не кристаллизуя ее. Для этого нужен более совершенный лазер. Импульс рентгеновского излучения нужен столь короткий - порядка пяти фемтосекунд, - чтобы электроны не успели покинуть молекулу изучаемого вещества. Тогда на детектор поступит неискаженная картина молекулярной структуры. При этом каждый импульс должен содержать достаточно фотонов, а значит, пиковую мощность лазера следует увеличить до тераватта."Это сверхзадача для рентгеновского диапазона, которую мы решаем на европейском XFEL. В будущем мы увеличим число фотонов в коротком импульсе в сто раз по сравнению с LCLS. Сейчас же отрабатывается впрыск молекулы в детектор и совершенствуется программное обеспечение, которое, как и в томографии, имеет решающее значение", - говорит Салдин.Новая методика, отрабатываемая в DESY, позволит в считаные часы расшифровывать структуру любого белка. Это будет способствовать очень быстрому прогрессу в биологии и медицине, сравнимому с расшифровкой генома человека.
"Прорваться в рентгеновский диапазон не удавалось с помощью квантовых лазеров в течение примерно сорока лет, хотя суммарно деньги на это были потрачены огромные. Максимум, чего удалось достичь, - длины волны десять нанометров. А XFEL дал одну десятую нанометра за десять лет. Это достижение можно сравнить с географическим открытием, которое происходит только раз в истории человечества. Конечно, размеры установки пока большие, но освоение радиодиапазона тоже начиналось с ламповых приемников, а теперь там все миниатюрное благодаря полупроводникам", - заключает Евгений Салдин.https://stfw.ru
