ИСТИНА

Развитие техники мощных широкополосных когерентных источников излучения, включая лазеры на свободных электронах, открывает широкие перспективы в реализации новых подходов в исследованиях фундаментальных особенностей взаимодействия излучения с различными объектами живой и неживой природы. Современная тенденция приоритетного приложения физических инструментов для исследований в области биологии и медицины диктует присутствие не только чисто научного аспекта, но и социального, связанного с запросом общества на эффективность отдачи вложений в дорогостоящие научные проекты, к которым относятся лазеры на свободных электронах. Спектр генерации лазеров на свободных электронах простирается от рентгеновской области до миллиметрового диапазона, что привлекательно для различных биологических и медицинских задач, в частности проведения рентгеноструктурного анализа сложных молекулярных конструкций, который наряду с криогенной электронной микроскопией позволяет проводить анализ строения сложных биологических соединений на атомном пространственном масштабе. Однако, применение этих методов требуют наличия образцов в кристаллической фазе либо использования сложной процедуры «вмораживания» молекулярных структур. С другой стороны информация о свойствах и особенностях строения молекулярных объектов, связей и динамики их переходов, конформационных изменений также может быть получена с помощью альтернативных подходов. К таким подходам относится использованием сверхкоротких импульсов среднего инфракрасного диапазона, то есть в области, где и располагается значительная часть практически интересных колебательных и вращательных резонансов молекул, в том числе сложных молекулярных биологических конструкций.

The development of high-power broadband coherent radiation sources, including free-electron lasers, opens up wide prospects for the realization of new approaches in studies of fundamental features of radiation interaction with various objects of animate and inanimate nature. The current trend of the priority application of physical instruments for research in the field of biology and medicine dictates the presence not only of a purely scientific aspects, but also of a social ones, connected with the society's request for efficient return on investment in expensive scientific projects, such as free-electron lasers. The spectrum of generation of free-electron lasers extends from the x-ray region to the millimeter range, which is attractive for various biological and medical problems, in particular, X-ray diffraction analysis of complex molecular structures, which, along with cryogenic electron microscopy, allows analysis of the structure of complex biological compounds on an atomic spatial scale. However, the application of these methods requires the presence of samples in the crystalline phase or the use of a complex procedure of "freezing" molecular structures. On the other hand, information on the properties and features of the structure of molecular objects, the relationships and dynamics of their transitions, conformational changes can also be obtained through alternative approaches. Such approaches include the use of ultrashort laser pulses in the middle infrared range, that is, in the region where a significant part of the practically interesting vibrational and rotational resonances of molecules, including complex molecular biological structures, are located. The main direction of the project is the implementation of new and development of known methods of structural and transformational analysis of biomolecular systems using time-resolved infrared spectroscopy using femtosecond pulses of the mid-infrared range, as well as the development of methods for generating extremely short pulses in this spectral region.

На основе существующего уникального экспериментального оборудования будет совершенствоваться техника генерации и полной характеризации перестраиваемых сверхкоротких импульсов в диапазоне от 2 до 13 мкм. Будет развита новая методика инфракрасной импульсной (время-разрешенной) молекулярной спектроскопии, реализуемой за счет резонансного четырехволнового взаимодействия зондирующих предельно коротких фемтосекундных импульсов с молекулярными переходами и регистрации быстрой динамики этого процесса методом оптического стробирования с разрешением по частоте и построения распределения Вигнера нелинейно-оптического динамического сигнала. На основе этого схемы также будет развита широкополосная техника измерения длительности, спектра и фазы предельно коротких импульсов среднего ИК диапазона методами оптического стробирования с разрешением по частоте при наличии длинного относительно измеряемого опорного импульса. Для структурного анализа и определения динамики фототрансформаций сложных биологических молекулярных соединений, в частности «красных» белков, будут развиты нелинейно-оптические техники с использованием сверхкоротких импульсов среднего инфракрасного диапазона, включающие многофотонное поглощение и флуоресценцию, двумерную и многомерную импульсную инфракрасную спектроскопия, генерацию оптических гармоник. Исследуемые белки служат маркерами в задачах опто- и термогенетики и имеют смещенную в длинноволновую полосы поглощения и флуоресценции. Детальная характеризация и использование этих белков является приоритетным направлением в задачах биовизуализации и микроспектроскопии, поскольку обеспечивает повышенную глубину проникновения зондирующего излучения, меньшую экстинкцию генерируемого полезного сигнала, а также мультиспектральность и мультимодальность измерений.

Успех выполнения проекта обеспечивается серьезным научным заделом и высокой квалификацией вносящего проект научного коллектива МГУ имени М.В.Ломоносова. Научная группа располагает основной экспериментальной базой входит (включая уникальные лазерные установки, генерирующая мощные сверхкороткие импульсы в среднем инфракрасном диапазоне), измерительным оборудованием и вычислительными ресурсами, необходимыми для успешного выполнения ключевых экспериментов и численного моделирования. Наличие указанных факторов должно привести к успешной реализации проекта и получению важных научных результатов в приложениях и задачах, которые также возможны для реализации в экспериментах на установках класса рентгеновских лазеров на свободных электронах, динамического дифракционного структурного анализа неупорядочиваемых в кристаллы биомолекул, изучение возможностей управления фототрансформациями таких белковых молекул, что является одним из направлений тематики данного направления Российского фонда фундаментальных исследований.