Научный сотрудник лаборатории нанооптики и плазмоники МФТИ Юрий Стебунов объясняет, как помогать аллергикам и ловить террористов с помощью биосенсорных чипов, рассказывает о бытовых проблемах российских ученых и размышляет о коммерциализации науки и будущих возможностях.

О себе

Мой отец всю жизнь проработал инженером, мама — экономист, у меня самого всегда было хорошо с математикой и физикой, возможно, поэтому я в свое время решил поступать именно в МФТИ. Кроме науки однажды был шанс уйти в другую сферу: проходил стажировку в банке, думал, может быть, стать финансистом. Но в итоге решил, что мне это будет скучно, пусть даже за большую зарплату. Все-таки делать эксперименты и заниматься своими исследованиями — это намного более увлекательно.

Два года назад, после получения диплома, мне нужно было выбирать аспирантуру, и я решил остаться в лаборатории нанооптики и плазмоники, где уже начал один проект по созданию биосенсоров нового типа. До этого я больше занимался теорией: писал формулы, статьи, разрабатывал разные устройства, моделировал, но затем понял, что было бы интереснее самому работать с приборами. Хотелось создать что-то реальное, что можно подержать в руках. Так все и началось.

О своем исследовании

Биосенсор — это прибор, с помощью которого можно узнать, сколько тех или иных химических соединений содержится в воде, воздухе и других средах. Его главной частью является биологический материал —ферменты, ткани, бактерии, дрожжи и другие элементы, которые реагируют на это соединение при соприкосновении с ним. Сигнал об этой реакции с помощью различных физико-химических методов затем преобразовывается так, чтобы его можно было измерить и вывести результат на экран прибора.

Первый биосенсор — для измерения уровня сахара в крови, которым по сей день пользуются больные диабетом, был изобретен еще в 1960-х годах. Он работал на основе электрохимического принципа. Его придумал британский ученый Леланд Кларк: по сути, он просто измерял электрический ток в растворе с ферментами на поверхности электрода. Тот биосенсор, который сейчас делаем мы, намного более чувствительный: он работает на оптическом принципе. Биоматериал в нем закреплен на так называемом чипе — тонкой пластине из стекла со специальным покрытием. Оно делается из графена, который наносится на золотые пленки, в электромагнитном поле которых «бегают» плазмоны — квазичастицы, которые представляют собой колебания свободного электронного газа. Когда на такую пленку попадает свет, в поле возникают оптические волны, и молекулы в нем начинают перемещаться и приобретать новые свойства. Поверхностные плазмоны реагируют на их приближение и тоже начинают меняться, сигнал об этом преобразуется и тоже выводится на экран.

© Анастасия Цайдер

© Анастасия Цайдер

Подобные биосенсорные чипы, только с другим покрытием уже давно разрабатывает одна шведская компания. Она делает это по двум технологиям, патент на которые действовал с 1980-х годов: за это время она успела занять почти половину рынка во всем мире. Несколько лет назад срок действия ее патента завершился, и появились другие компании, которые тоже заинтересованы в новых разработках. Провести совместное исследование эффективности работы своего прибора нам изначально предложил американский стартап, доля в котором принадлежала «Роснано». Я даже ездил к ним в Колорадо на трехнедельную стажировку, чтобы пообщаться с их инженерами и больше узнать об их производстве и технологии. После этого у нас возникла идея, что можно модифицировать их чипы: делать их с другими поверхностями, которые будут взаимодействовать с молекулами.

Такие биосенсоры используются для того, чтобы измерять концентрацию токсинов или ионов тяжелых металлов в воде: если нам удастся улучшить способ получения сигнала через чипы, это можно будет делать намного точнее. Более того, так можно будет определять и наличие токсинов или вирусов в организме человека, которые нельзя обнаружить с помощью обычных медицинских приборов, и разрабатывать новые лекарства без их испытаний на мышах и крысах.

О карте аллергенов и борьбе с террористами

Кроме токсинов с помощью биосенсорных чипов можно также определять концентрацию аллергенов в воздухе. Во Франции их уже давно используют для этого, в некоторых городах даже составили карту аллергенов, измерив, в каких участках больше, допустим, пуха с деревьев. В Москве тоже многие страдают от аллергии, один мой знакомый каждую весну уезжает из города: когда деревья начинают цвести, для него это непереносимо. Можно было бы расставить приборы в разных районах и сделать такую карту, которая работала бы в режиме реального времени, как карта пробок на «Яндексе». Тогда больной мог бы с утра посмотреть, куда ему лучше не ехать.

Свои новые чипы мы уже почти доделали, в этом году, наверное, все закончим. Если у нас все получится, возможно, какая-то компания захочет приобрести патент на эту разработку и заняться коммерциализацией проекта. Три года назад, когда мы только начали заниматься биосенсорами, я проходил обучение в «Роснано»: нас отправляли на трехнедельную стажировку в MIT (Массачусетский технологический институт — прим. ред.) в США, где инвесторы и представители компаний давали нам советы о том, как лучше продвигать такие проекты. Но боюсь, работа над стартапом будет отнимать слишком много времени, сейчас мне хотелось бы заниматься только самими исследованиями.

В будущем мы собираемся сделать эти чипы совсем небольшими, чтобы они могли поместиться даже в смартфон. Пока они размером с компьютер — это не очень удобно, надо делать их портативными. Если расставить такие чипы везде, можно не только определять аллергены в воздухе, но и узнать, кто что носит в сумке, нет ли в ней взрывчатки или даже какого сорта в ней лежит колбаса. Вообще самый эффективный биосенсор, который уже придуман самой природой, — это нос собаки, именно поэтому собак используют для поиска террористов. Но наши биосенсоры будут определять место, где спрятана бомба или взрывчатка, еще точнее.

О работе в России

В нашей лаборатории больше десяти сотрудников — все молодые ученые. Заведующему лабораторией чуть больше 35 лет, остальным чуть меньше. В прошлом году МФТИ стал одним из 15 университетов, которые получили грант на развитие, чтобы войти в топ-100 лучших университетов мира. Нам тоже выделили дополнительное финансирование, и мы начали набирать новых сотрудников: за полгода лаборатория выросла раза в два. Особого конкурса к нам нет, но мы набираем только студентов МФТИ: к нам идут те, кто получает высокие оценки, кому интересна наука. Бывает, конечно, что приходят люди, которые ничего не делают, но они быстро уходят.

© Анастасия Цайдер

© Анастасия Цайдер

С финансированием у нас в ближайшие три года, пока будет действовать этот грант, все хорошо. Но здесь больше бытовые проблемы. Например, если нужно заказать какие-то реактивы, в американских лабораториях это занимает день-два, а нам надо ждать два-три месяца. Возможно, это из-за того, что большинство реактивов приходится заказывать за рубежом. В России не производят даже соль, которая нужна для растворов молекул (правда, это должна быть особая, сверхчистая соль). Научное оборудование тоже недолговечно, оно часто ломается — купить новое из-за бюрократических процедур оказывается долго.

В декабре мы хотели заказать эллипсометр — этот прибор нужен, чтобы исследовать тонкие металлические пленки. Один у нас в лаборатории уже есть, но нам требовался другой, более современный. Лучший из тех, что мы нашли, на котором получаются самые надежные результаты, стоил 700 тыс. долларов (на тот момент это было около 25 млн рублей). Университет выделил деньги, мы уже сделали заказ, но оформление необходимых бумаг затянулось, и после Нового года оказалось, что в переводе на рубли этот прибор стоит уже в два раза дороже. Немножко не повезло.

О будущем

В России исследованиями биосенсорных чипов пока нигде не занимаются — эта ниша никем не занята. В то же время в мире подобные проекты очень востребованы. За последние 3 года про использование графена в таких чипах вышло около 30 научных статей в разных странах. Над ней работают во Франции, Южной Корее, США… Иногда авторы из разных стран могут объединяться друг с другом для работы над одной статьей. Наука сейчас очень глобализирована, строгого разделения по странам нет.

Руководитель нашей лаборатории — Валентин Волков, профессор одной из лучших лабораторий в Европе в области плазмоники в Университете Южной Дании. Два-три месяца он проводит у нас, а остальное время работает там. Кроме того, мы постоянно сотрудничаем с учеными из Англии, Италии и Франции: ездим друг к другу на конференции, стажировки, обмениваемся образцами для исследований при необходимости. После того как мы доделаем наш проект, мне нужно будет защитить по нему диссертацию, и, возможно, я сам попробую год-два поработать за рубежом: было бы интересно посмотреть изнутри, как организована университетская наука в том же MIT, Калтехе или вузах в Швейцарии.

Два года назад я уже поступал в аспирантуру в два университета — ETL и EPFL (это Швейцарская высшая техническая школа в Цюрихе и Федеральная политехническая школа в Лозанне): в обеих школах у меня уже приняли документы, но затем я решил все-таки остаться и закончить наше исследование здесь. Конечно, карьера ученого после аспирантуры в Европе или на Западе строится легче: после этого можно сразу стать профессором в каком-либо известном университете. Но у нас на Физтехе очень хорошая рабочая атмосфера, мне не хотелось бросать коллег и уезжать из нашей лаборатории, которая только начала развиваться.

Уйти в бизнес ученому на Западе тоже намного проще: технологических компаний много и везде требуются специалисты. В России пока вряд ли нужны люди, которые разбираются в биосенсорах, разве что зарубежным компаниям, которые их здесь продают. Один из основателей той американской компании, которая к нам обратилась, тоже бывший выпускник Физтеха, в свое время уехавший за рубеж: в Колорадо найти инвестора под свою идею ему оказалось легче. Несколько лет назад долю в этой компании купило «Роснано». Предполагалось, что часть производства они перенесут в Россию, откроют здесь свое представительство. Именно поэтому мы начали проводить то исследование. Но насколько я знаю, пока эта идея осталась нереализованной, не уверен даже, что они до сих пор являются совладельцами. Вообще «Роснано» выделяет на развитие инженерного бизнеса довольно большие суммы, но, к сожалению, этот процесс зависит не только от финансирования.