Зарядовый механизм вынужденного низкочастотного комбинационного рассеяния на вирусах
Зарядовый механизм вынужденного низкочастотного комбинационного рассеяния на вирусах
Пресс-релиз публикации: V.B. Oshurko, O.V. Karpova, M.A. Davydov, A.N. Fedorov, A.F. Bunkin, S.M. Pershin, M.Y. Grishin , “Charge mechanism of low-frequency stimulated Raman scattering on viruses” Physical Review A.- 2022. – Vol. 105.- P.043513. DOI: 10.1103/PhysRevA.105.043513
В Институте общей физики РАН впервые предложен и подтвержден новый механизм (селективного) взаимодействия электромагнитного излучения с биологическими объектами, в частности, с вирусами. Работа проводилась во взаимодействии с кафедрой вирусологии МГУ (О.В. Карпова).
Как известно, вирусы – один из наиболее быстро мутирующих биологических объектов, часто представляющие большую опасность. Вместе с тем, борьба с вирусными инфекциями сегодня очень затруднена: так химически все вирусы (и другие биообъекты) практически неразличимы (состоят из тех же аминокислот белков и фосфатных оснований нуклеотидов), и «лекарственный» метод невозможен. Вирус не является живым объектом (кроме копирования в клетке) и не имеет метаболизма, а значит, невозможен «антибиотик» против вируса. Единственный эффективный на сегодняшний день метод – стимулирование иммунного ответа, то есть разработка вакцин, требует времени порядка нескольких лет, в то время как скорость мутации вирусов составляет месяцы. Поэтому единственным выходом является избирательное действие физических факторов, в частности, электромагнитного излучения на вирусы.
Недавно было обнаружено неожиданное явление – вынужденное комбинационное рассеяние (ВКР) света на акустических колебаниях вируса, при том, что спонтанное комбинационное рассеяние на этих колебаниях никогда не наблюдается. Кроме того, это рассеяние существенно отличается от обычного ВКР: так частота стоксовой волны никогда не равна наименьшей частоте колебаний и, кроме того, зависит от многих факторов, в частности от степени разбавления суспензии и т.п.
Для объяснения этих явлений нами предложен новый физический механизм вынужденного рассеяния света на вирусах в водной суспензии. Механизм основан на прямом взаимодействии между световой волной и всегда существующим нескомпенсированным электрическим зарядом вируса в водной среде. По сути, этот механизм аналогичен механизму ленгмюровских волн в плазме, но с тем отличием, что «возвращающей силой» является собственная упругость капсида вируса в условиях ионного трения. Получены экспериментальные данные, подтверждающие этот механизм на примере суспензии вируса табачной мозаики. В частности, наблюдалось отсутствие низкочастотных линий и смещение линии ВКР при изменении концентрации раствора, предсказываемое теорией. Кроме того, в эксперименте наблюдаются лишь частоты, определяемые правилами отбора в рамках нашего механизма.
Показано, что такой механизм позволяет создавать локальный избирательный нагрев наноразмерных объектов от десятков до сотен градусов Цельсия. При этом эффект нагрева контролируется параметрами оптического облучения, и его можно использовать для избирательного воздействия на конкретный объект.
Эффект ионного трения, учитываемый в данном механизме взаимодействия, позволяет также объяснить известный с 60-х годов прошлого века факт: очень плохую воспроизводимость эффектов при действии резонансного электромагнитного излучения (например, микроволнового) на биообъекты. В самом деле, возбуждение акустических колебаний вируса приводит к росту температуры, увеличению степени диссоциации воды и других компонентов раствора, и, как следствие, к изменению ионного трения, и, наконец, к изменению частоты собственных колебаний вируса, т.е. к уходу из резонанса. По сути, это – естественный механизм защиты вирусов (и вообще, биообъектов) от электромагнитного излучения.
Все это открывает абсолютно новые возможности не только для борьбы с вирусными инфекциями, но и для фундаментальной биологии – путем возможности избирательной активации/инактивации внутриклеточных биологических систем нанометрового масштаба.
Пресс-релиз подготовил: ведущий научный сотрудник НЦВИ ИОФ РАН, доктор физико-математических наук В.Б. Ошурко.
Рис. 1. Электронная микроскопия вируса табачной мозаики и изменение положения стоксовой компоненты низкочастотного вынужденного рассеяния на вирусах при изменении концентрации раствора. (Источник: V.B. Oshurko, O.V. Karpova, M.A. Davydov, A.N. Fedorov, A.F. Bunkin, S.M. Pershin, M.Y. Grishin , “Charge mechanism of low-frequency stimulated Raman scattering on viruses” Physical Review A.- 2022. – Vol. 105.- P.043513. DOI: 10.1103/PhysRevA.105.043513)