Сотрудники ФИАН в рамках сотрудничества с Институтом спектроскопии, Федеральным научным центром им. В.М. Горбатова РАН и Институтом эпидемиологии и микробиологии им. Н.Ф. Гамалеи предложили, разработали и готовят к патентованию инновационный способ ИК-лазерной инактивации патогенных бактерий путем высоко-локального селективного возбуждения и структурной трансформации функциональных групп органелл патогенных бактерий. Этот способ хорошо зарекомендовал себя для инактивации планктонных образцов ряда патогенных микроорганизмов III-ей и IV-ой группы in vitro и может применяться в мобильном варианте для дезинфекции и стерилизации помещений медицинских учреждений и пищевых производств.

    Практические способы борьбы с патогенными бактериями в медицинских учреждениях и на пищевых производствах требуют мобильных и высокопроизводительных бактерицидных средств, к которым обычно относят в первом случае прямую или косвенную УФ-обработку (кварцевание, озонирование), а во втором случае – паровую или химическую обработку. В первом случае обработка нацелена на фотолитическое или фотохимическое повреждение важных функциональных молекул (например, белков и нуклеиновых кислот) бактерий, тогда как горячий пар или химические реагенты на пищевых производствах разрушают надструктуру белков и других основных компонент клеточной оболочки, нарушая клеточный метаболизм. И, хотя высокотемпературная обработка традиционно является базовым средством борьбы с патогенными бактериями при обработке продуктов, прямое инфракрасное (ИК) воздействие для этих целей до сих пор тестировалось только в лабораториях. В частности, использовались элементы накаливания, нагреваемые до различных высоких температур (< 1000 градусов Цельсия) со спектром, определяемым законом смещения Вина. В результате, заметный эффект – снижение жизнеспособности бактерий на 2-3 порядка - наблюдался только в случае, когда спектральный максимум теплового излучения лежал в области около 6 мкм, а не 3 или 4.5 мкм. Согласно характерной структуре ИК-спектра большинства бактерий (смотри, например, Рисунок 1), в области 2.7-3.3 мкм лежат колебания углеродного скелета и ОН,NH-групп, тогда как основные функциональные – нуклеиновые, белковые, пептидные молекулы бактерий проявляются в диапазоне 6-11 мкм.

Рисунок 1. Слева: Характерный ИК-спектр бактерий и спектры ИК-лазерных фемтосекундных импульсов. Справа: Принцип инактивации бактерий при облучении с длиной волны 3 и 6 мкм

    В рамках сотрудничества с Институтами спектроскопии и Федеральным научным центром им. В.М. Горбатова РАН, Институтом эпидемиологии и микробиологии им. Н.Ф. Гамалеи сотрудники ФИАН предложили, разработали и готовят к патентованию инновационный способ ИК-лазерной инактивации патогенных бактерий путем высоко-локального селективного колебательного возбуждения и конформационно-структурной трансформации функциональных молекул органелл патогенных бактерий. Проведенные исследования с излучением среднего ИК-диапазона показали, что селективное воздействие фемтосекундного лазерного излучения с длиной волны около 6 мкм на относительно редкие, но сильнопоглощающие амидные группы нуклеиновых кислот, белков и пептидов из-за сильного и локального поглощения (Рис.1) отвечает более низкому порогу инактивации бактерий (Рис.2), чем сильное колебательное возбуждение всего углеродного каркаса излучением с длиной волны 3 мкм (Рисунки 1 и 2). В целом, этот подход хорошо зарекомендовал себя для инактивации планктонных патогенных микроорганизмов III-ей и IV-ой группы in vitro (снижение показателя КОЕ на пять порядков - до нуля) и может применяться в мобильном варианте для дезинфекции и стерилизации помещений медицинских учреждений и пищевых производств.

Рисунок 2. Результаты анализов жизнеспособности бактерий после ИК-лазерной обработки образцов излучением с длиной волны 3 мкм и 6 мкм в зависимости от интенсивности излучения.

    Инновационные результаты исследований опубликованы в статьях «Spectrally-selective mid-IR laser-induced inactivation of pathogenic bacteria» в высокоцитируемом журнале Biomedical Optics Express и «Фемтосекундная лазерная ИК-спектроскопия характеристических молекулярных колебаний бактерий в области 6 мкм» в журнале Письма в ЖЭТФ, а также представлены в приглашенных и устных докладах на профильных международных конференциях 2021 года.

См. также:
1) Kompanets V. et al. Spectrally-selective mid-IR laser-induced inactivation of pathogenic bacteria //Biomedical Optics Express. – 2021. – Т. 12. – №. 10. – С. 6317-6325.
2) Компанец В. О. и др. Фемтосекундная лазерная ИК-спектроскопия характеристических молекулярных колебаний бактерий в области 6 мкм //Письма в Журнал экспериментальной и теоретической физики. – 2021. – Т. 113. – №. 6. – С. 365-369. (*.pdf)

АНИ «ФИАН-информ»