Масс-спектрометрия и ее возможности. От вирусологии до археологии

Гости
Евгений Николаев
член-корреспондент РАН, профессор Сколковского института науки и технологий

Ольга Орлова: Определить состав различных веществ – это одна из главных научных задач, которая стояла перед человечеством. Найти подход к ее решению ученые нашли в начале XX века, когда появился метод масс-спектрометрия. Сегодня с помощью своеобразных молекулярных весов, которые могут разделять разные молекулы по массам, специалисты уже умеют определять границу опухоли, обнаруживать допинги и яды в организме человека и надежно детектировать вирусы. Как это работает, рассказывает член-корреспондент РАН, профессор и заведующий лабораторией масс-спектрометрии Сколковского института науки и технологий Евгений Николаев.

Здравствуйте, Евгений Николаевич. Спасибо, что пришли к нам в программу.

Евгений Николаев: Добрый день.

Ольга Орлова: Евгений Николаевич, вот этот год (2021) удивительно богат на всякие памятные даты, юбилеи. Очень много важных исторических событий мы отмечаем в этом году. И, в частности, 125-летие со дня рождения Николая Семенова. Это единственный наш нобелевский лауреат по химии российский. И вклад его в науку был огромен. В частности, среди многих вещей, которые ему удалось сделать, он был основателем такого важного научного метода, как масс-спектрометрия. В каком-то смысле, наверное, вас можно назвать научным внуком Семенова через поколение. И это то. Чем вы занимаетесь, и вы теперь возглавляете в Сколтехе центр масс-спектрометрии. Давайте начнем с самого главного. Все-таки в чем заключалась суть этого метода, который Семенов развил в России и, в общем, дальше в мире?

Евгений Николаев: Я ученик ученика Николая Николаевича… который долго время у нас был главным масс-метристом страны. Суть метода вот в чем. Это метод, который позволяет взвесить молекулы и измерить их массы. Что такое весы, все знают. И мы можем предметы, находящиеся в студии, тоже взвесить на весах. И мы можем, например, сказать, что это не стул, а это не стакан по весу. Но в микромире мы не видим предметы. Нам помогает то, что в микромире все сделано из атомов, и каждый из атомов имеет свой уникальный вес. Вес – как бы метка этого атома.

Ольга Орлова: Уникальная характеристика.

Евгений Николаев: Да. И как бы мы ни комбинировали эти атомы в молекулы, мы можем в конце концов, решая определенные математические уравнения, узнать, из каких атомов эта молекула состоит, если мы точно ее взвесим.

Ольга Орлова: И таким образом мы и понимаем состав вещества?

Евгений Николаев: Ну да. Таким образом мы определяем, из каких атомов состоит эта молекула и что это за вещество. Взвешивание в микромире немножко другое. Мы не можем сделать весы. И это делается путем разделения молекул в электромагнитных полях. И чтобы это взаимодействие произошло, мы заряжаем молекулу, то есть ей даем заряд. И если мы отнимем один электрон у молекулы, она зарядится положительно, это будет молекулярный ион. Но это уже будет частица, которой можно манипулировать. И если мы вещество ионизуем, дальше мы можем его ускорить в электрическом поле. В электрическом поле они не разделяются по массам. А если мы введем ускоренные частицы в магнитное поле, они начнут отклоняться. И частицы малой массы отклоняются сильнее, чем частицы большей массы.

А дальше мы можем их на какой-нибудь флуоресцирующий экран либо на фотопластинку, как в первых экспериментах. И мы увидим засветку в тех местах, куда они попадут. И вот так были устроены первые масс-спектрометры. И Николай Николаевич Семенов создал первые в Советском Союзе масс-спектрометры. Это произошло в 1924 году. Он формально был третьим в мире. Первый был Томсон в Кавендишской лаборатории. Другой в Чикаго. И вот третий…

Ольга Орлова: Это было в Ленинграде?

Евгений Николаев: Да. Это был тогда рентгеновский институт. Иоффе был его заместителем по хозяйственной части. Но он получил…

Ольга Орлова: Ничего себе завхоз.

Евгений Николаев: Ну да. Он перед этим был коневодом в армии Колчака. Поэтому его дело было такое.

Ольга Орлова: То есть то, что он участвовал в белой гвардии…

Евгений Николаев: Сильно помешало.

Ольга Орлова: Не способствовало карьере в советской науке. Но, тем не менее, с другой стороны, и не помешало.

Евгений Николаев: И не помешало.

Ольга Орлова: Стать нобелевским лауреатом. Скажите, пожалуйста, во время Семенова у нас выпускались (то есть потом начали выпускать в промышленных масштабах) масс-спектрометры. И сначала они попали на ядерные комбинаты.

Евгений Николаев: Да, это правильно. Первые масс-спектрометры и в Америке… Отсчет появления масс-метрии мы ведем с 1913 года, когда… и Томсон опубликовал работу «Положительные лучи электричества и их применение в химии». И он дал перспективу, как применять масс-метрию в химии. И Николай Николаевич тоже за это ухватился. И первый масс-спектрометр был создан для решения химических задач, хотя он был физиком. Его интересовало исключительно взаимодействие электронов с молекулами. А в 1921 году к Николаю Николаевичу в лабораторию пришли очень талантливых студента. Юрия Борисовича Харитона все прекрасно знают, потому что он заменил Курчатова во главе атомного проекта. Значит, Харитон был один студент, он был самый младший. Потом, был Кондратьев Виктор Николаевич, который потом в химфизике был долгое время сотрудником Николая Николаевича, правой его рукой. Ну и был еще Вальтер такой. И вот эти трое ребят освоили территорию, поставили печку-буржуйку и начали делать масс-спектрометр.

А идею скорее всего принес Капица Петр Леонидович, потому что он проработал у Резерфорда в Кавендишской лаборатории, и он видел этот масс-спектрометр.

Ольга Орлова: Это как раз 1921 год.

Евгений Николаев: Это их знаменитый портрет.

Ольга Орлова: Да, где Семенов держит рентгеновскую трубку.

Евгений Николаев: Да, это рентгеновская трубка. Кустодиев попросил их принести что-нибудь научное, чтобы картина выглядела соответствующим образом, что это люди науки.

Ольга Орлова: Чтоб было понятно, что он пишет ученых.

Евгений Николаев: Да, что пишет ученых.

Ольга Орлова: Жаль, что Кустодиев (умер в 1927 году) не дожил до того, как молодые люди выполнили обещание… Он спросил: «Вы собираетесь стать нобелевскими лауреатами?» Они сказали: «Да». Они стали гораздо позже…

Евгений Николаев: Капица принес ему мешок муки и петуха, которых они заработали, чиня мельницу. И Кустодиев был очень доволен. И вот эти талантливые ребята… Это был дипломный проект Кондратьев Виктора Николаевича. А потом они все разъехались. Кто в Англию. Кондратьев уехал в Германию. И прибор остался бесхозным. И пригласили англичанина, для того чтобы исследовать радикалы. Это вообще был как бы самый первый метод, примененный для исследования радикалов.

Николая Николаевича мы все знаем. И он за это нобелевскую премию получил как человек, который открыл разветвленные цепные реакции. И они ведутся радикалами. Вот эти частицы реакционные, которые размножаются и ведут эти цепи. И происходит взрывообразный процесс. Но никто тогда не понимал механизма. И очень хотелось понять. И вот был создан… такой был. Он 5 лет провел со своей семьей в Санкт-Петербурге. И даже есть книжка его дочки о том, как «нам хорошо жилось в Санкт-Петербурге». С 1931-го по 1935-ый, по-моему, они там жили.

Так как Николай Николаевич увлекся вот этим окислением фосфора, потому что там возник спор между химиками (возможно/невозможно), и он доказал, что это возможно. И за это он Нобелевскую премию получил. И масс-метрия осталась в стороне до конца войны. Когда в 1945-го пришел Тельрозе с фронта.

Ольга Орлова: Это ваш руководитель.

Евгений Николаев: Да. И он с энтузиазмом начал это делать. Он параллельно участвовал в испытании атомного оружия на Ноой Земле. И химфизик отвечал в атомном проекте за инструментарий, за измерение эффектов. И вот они все мобилизовались туда. И поняли. Что масс-метрия очень нужна.

Ольга Орлова: Вот смотрите. С тех пор все-таки прошло 80 лет. И масс-спектрометрия применяется в самых разных научных областях, включая и космические исследования, и медицину. Скажите такую вещь. Если бы сегодня Семенов пришел к вам в центр Сколтеха, например, что бы вы ему рассказали? Ведь с тех пор прошла целая научная вечность.

Евгений Николаев: Я бы здесь уточнил – Семенов какого возраста? Потому что Семенов 70 лет прожил в науке.

Ольга Орлова: Вы с Семеновым какого года хотели бы встретиться?

Евгений Николаев: Я бы предпочел два года в его жизни. Это 1924-й, когда они сделали масс-спектрометр.

Ольга Орлова: Это только старт.

Евгений Николаев: Да, только старт. Потому что они все были очень воодушевлены этим достижением. И потом 1956-й год, когда он получил нобелевскую премию. И, кстати, была хроника ТАСС. Что Николай Николаевич делает? Он показывает корреспонденту. Он показывает радикальный масс-спектрометр. То есть это у него, конечно, осталось. Это его первая любовь. Несмотря на то, что жизнь его совсем в другую сторону…

Ольга Орлова: Да, он ушел в другую область.

Евгений Николаев: Но это у него осталось. Он, конечно, очень надежных людей на этот фронт отправил… У Тальрозе него абсолютно мировая известность. Он открыл ион метония. Ну, и методы ионизации и так далее. Это было в надежных руках. Но он все время присматривал. И эти масс-спектрометры экспонировались на научных выставках в Нью-Йорке, Брюсселе. И это была гордость нашей отечественной науки. Потом они выпускались в огромном количестве.

Ольга Орлова: А сегодня в России выпускается в промышленном…

Евгений Николаев: Нет. Немножко делается в Ленинграде для атомной промышленности. Но такие частные заказы, изотопные масс-спектрометры.

Ольга Орлова: А почему?

Евгений Николаев: А потому что это невыгодно делать. Понимаете? Вот я вам приведу пример. 2 года назад Институт органической химии купил топовый масс-спектрометр За 350 млн рублей. Это по тем деньгам примерно $6 000 000. В Америке стоит 1 500 000. Где эти $4 500 000? Вот задайте себе вопрос. То есть это деньги, которые выделяются Академии наук, они не идут в Академию наук, они идут в структуры, которые продают эти приборы. Если бы эти деньги дали, то такие приборы сразу бы возникли.

Александр Михайлович Сергеев, который сейчас президент Академии наук, он чуть не на первом общем собрании, где он выступал со своими планами, он возмущался этим. Почему научные приборы, которые мы покупаем за рубежом, стоят минимум в 2 раза дороже? В этом примере – в 4 раза дороже.

Ольга Орлова: Интересно, как бы вы объяснили Николаю Семенову о том, что в его времена масс-спектрометры выпускались в промышленных масштабах, а сейчас это невыгодно.

Евгений Николаев: Потому что тогда как бы следили за этим. Это чисто экономический вопрос. И воля людей, которые в правительстве где-то отвечают за обеспечение науки приборами. Сейчас со всех трибун это говорят, что у нас наука не обеспечена отечественными приборами. Ей нужно развивать отечественное приборостроение. Но никто пальцем о палец не ударит, чтоб это делать.

Ольга Орлова: Давайте вернемся к возможностям масс-спектрометрии сегодня. И что бы вы Семенову 1956 года, который стал нобелевским лауреатом, что бы вы ему рассказали? От чего бы он пришел в изумление?

Евгений Николаев: Что бы для него было нового? Это, несомненно, взрывное вхождение масс-спектрометрии в медицину и биологию. Это так называемые постгеномные технологии. После его смерти по чистой масс-метрии было дано 3 нобелевских премии. Одна немцу Вольфгангу Полю за изобретение квадрупольного метода анализа масс, а две другие – за ионизацию больших молекул. Вот в разряде, или когда мы ударяем электрон, мы молекулу разрушаем, мы теряем информацию о ее массе. А Коичи Танака (это японец) и Джон Фенн (американец) изобрели метод неразрушающей ионизации очень больших молекул. Любой белок или даже вирус можно сейчас ионизовать, в масс-спектрометр его засунуть – так и делают, массу измеряют. И этот метод позволяет ионизировать молекулы любого размера. Ну, белки, там. У нас есть белки маленькие, с массой примерно 1000 масс атома водорода, а есть миллионы масс.

Ольга Орлова: Вирус ведь огромный объем.

Евгений Николаев: Вирус – это 20 миллионов масс. И этот метод ионизации, как и все мы тогда, был бы удивлен. И сразу бы мысль заработала, как это все примени в дальнейшем. Наверное, это сейчас основное, что произошло за последние годы.

Ольга Орлова: С другой стороны, все-таки масс-спектрометрия в медицине – это ж довольно дорогой метод. Все-таки почему он получил такое распространение, когда есть гистология, есть анализ на антитела, то есть есть разные способы.

Евгений Николаев: Сейчас объясню. Во-первых, антитела, иммуногистохимия – это анализ белков. Что делает гистолог? Он делает срез ткани. Потом он как-то распыляет покрашенное антитело к определенному белку. Вот если вы пойдете в Центр гистологии какого-нибудь крупного, хорошо оснащенного института, скажем, Герцена, да, который онкологией занимается, у них всего антител на 300 белков. Это много. Но всего на 300. И вы будете последовательно делать срезы и искать тот белок, который вам нужен. Масс-метрия, вот, современные методы получения изображений масс-метрических, они вам с помощью лазера точечно ионизуют по точкам всю ткань, и из каждой точки они получат множество ионов, и вы увидите все белки сразу. Все белки сразу. То есть как бы это универсальное антитело.

Ольга Орлова: Получается, это намного быстрее.

Евгений Николаев: И намного информативнее.

Ольга Орлова: Быстрее и информативнее.

Евгений Николаев: Это раз. То есть это белки. Другие, там, метаболиты очень важны. Метаболомный профиль. Вы с помощью масс-спектрометра сразу видите всю картину, все липиды видны. И это неинвазивный метод. Скажем, моча, слюна, слеза, пот – это все объекты анализа. И вы на масс-спектрометре все это можете увидеть.

Например, если вы бы пришли в нашу лабораторию и мы бы вот так тампончиком взяли со лба мазок и сунули в масс-спектрометр, мы бы узнали, что вы пьете – кофе или чай, какие вы лекарства употребляете. Но, например, сейчас по заданию московского правительства мы делаем анализ сточных вод в учреждении. Например, школу берем. И мы видим абсолютно всю картину: есть ли в школе наркота, какие лекарства, кто чем болен. И вот когда эпидемия коронавируса, просто берут сточные воды и видят картину развития эпидемии. Это все делает масс-спектрометр. Причем, это очень быстрый анализ. Ну, вы знаете, что весь допинг-контроль на масс-спектрометрии.

Ольга Орлова: Да. То есть теперь такая современная точность, которая раньше, конечно… Допинг-контроль. Ну, вот, если брать советские годы, это просто несопоставимо с тем, как сейчас…

Евгений Николаев: На то и на высокий уровень поднимаются с нашим спортом международные скандалы из-за чего?

Ольга Орлова: Так это масс-спектрометрия виновата?

Евгений Николаев: Конечно. Если вы посмотрите, где там портрет Родченкова, то вы увидите его на фоне масс-спектрометров. Вся эта наша лаборатория вадовская – это все сплошная масс-метрия.

Ольга Орлова: А вот археологи. У них очень часто стоит такая проблема, когда, например, в раскопках появляется закрытый сосуд, состав которого непонятен. Вы с археологами работаете?

Евгений Николаев: Мы хотим с ними работать. Но мы никак не можем найти интересную нам и им общую задачу. Мы сами… у меня есть очень активный сотрудник Юра Костюкевич. Он ездил на Тамань и притащил оттуда нефть из амфоры. И мы эту нефть анализировали. 450 лет до н.э. Ведь асфальты использовались для бальзамирования. Все мумии (египетские и так далее) все в этих асфальтах. В общем, масс-спектрометр может определить, откуда асфальт. Самые лучшие асфальты (или битумы) были из Мертвого моря. Но там еще были источники. И тогда, в древние времена, это очень ценилось. Потом художники использовали эти асфальты. И по анализу можно определить место происхождения и торговые пути.

Ольга Орлова: То есть вам от археологов нужна какая-то серьезная задача?

Евгений Николаев: Инициатива нужна от них, чтобы они к нам пришли. Потому что мы много чего умеем. Но для археологов очень важна масс-метрия при датировке. Вы знаете…

Ольга Орлова: Это каждый раз очень большая проблема.

Евгений Николаев: Вы помните эту Туринскую плащаницу, да?

Ольга Орлова: Да, конечно.

Евгений Николаев: И утверждали, что ей 2000 лет. Оказалось, что ей 800 лет. Это сделали с помощью ускорительного масс-спектрометра.

Ольга Орлова: Масс-спектрометрия – это бесконечный источник разочарований.

Евгений Николаев: В этом случае – да.

Ольга Орлова: Евгений Николаевич, а зачем масс-спектрометры запускают в космос? Что они там определяют.

Евгений Николаев: О, это очень важная тема. И важная в том числе для меня, потому что мы делаем масс-спектрометры для космоса. Но самая недавняя миссия была на комету Чурюмова-Герасименко. Туда летало 4 масс-спектрометра.

Ольга Орлова: Вот зачем?

Евгений Николаев: К сожалению, они там не заработали, потому что аппарат в расщелину попал, и энергии не было. Это происхождение жизни. Это происхождение хиральности. Мы все состоим из белков, да? Белки состоят из аминокислот. Аминокислоты имеют такую характеристику, как хиральность. Вот есть левая рука, есть правая рука, да? Они являются зеркальным отражением друг друга. Но вы их никак не соедините так, чтобы они совпали. Так же все аминокислоты, кроме глицина… природа использует 20 аминокислот, и 19 хиральны. И в нас только левые аминокислоты. Это загадка происхождения хиральной асимметрии и вообще происхождения жизни. Панспермия… Занесена сюда жизнь, не занесена. А в кометах органика первородная и вода.

Но сейчас появилась и другая идея. На полярных областях Луны есть основания считать, что там есть вода, есть лед и есть органика. Дело в том, что кометы, которые бьют Луну со всех сторон, они несут эту первородную органику и воду. Они ударяются об Луну. Ну а дальше те области Луны, которые обращены к Солнцу, они выгорают. А вот в полярных областях, куда солнце не проникает, там в этих кавернах она сидит. И надо туда полететь и это анализировать. Не надо на кометы летать.

Вот мы сейчас такой масс-спектрометр сделали. И тоже смотрим, когда Роскосмос на нас обратит внимание. Вот сейчас наша следующая лунная программа… Была Луна-26. Ну, будет Луна-27, 28. Они будут привозить на Землю лунный грунт и дальше в лабораториях анализировать.

Ольга Орлова: Вы будете смотреть и…

Евгений Николаев: Да. И они хотят с холодильником это делать. То есть тоже хотят сесть в эти области и просверлить поля льда, как они видятся с помощью нейронной…

Ольга Орлова: А вы сами как оцениваете вероятность того, что будут найдены следы органики и следы жизни.

Евгений Николаев: Следы органики несомненно будут найдены. Потому что они находятся… Вот мы анализируем метеориты, и мы видим там. Какой-нибудь Мурчисон. Там огромное количество органики. Она несомненно там есть. Но как от органики протянуть логическую цепочку к жизни, это нетривиальный вопрос.

Но очень много людей этим занимается. Правда, если вы посетите конференцию по происхождению жизни, то там будет наибольшее количество полусумасшедших идей. Потому что нужны нетривиальные идеи.

Ольга Орлова: Для того чтобы совершить такой переход, нужно обладать определенной степенью безумия.

Евгений Николаев: Абсолютно правильно.

Ольга Орлова: Спасибо огромное. У нас в программе был член-корреспондент РАН, профессор Сколковского института науки и технологий Евгений Николаев. А все выпуски нашей программы вы всегда можете посмотреть у нас на сайте или на ютьюб-канале Общественного телевидения России.

Авторизуйтесь, чтобы быстро и удобно комментировать
Авторизуйтесь, чтобы быстро и удобно комментировать

Ваш комментарий будет опубликован после проверки модератором

Комментарии (0)