Hiljuti valmistati esmakordselt bioloogilisest rakust laser. Seejuures elas laseri valmistamiseks kasutatud inimese neeru rakk eksperimendi üle. Tulevikus võib seesuguseid “elusaid lasereid” luua elusates loomades, mis võimaldaks potensiaalselt vaadelda sisemisi kudesid enneolematu detailsusega.
Laserina töötav elus inimrakk. Pilt: Malte Gather
Käesolev laser pole aga esimene ebatavaline laser. Eelnevalt on proovitud valmistada tuumareaktorite mõjul töötavaid lasereid tarretisest. Kuid kuidas on võimalik anda see veider võime elusale rakule? Selleteemalist uurimust kajastab NewScientist.com.
Tavaliselt valmistatakse laser kahest peeglist kummalgi pool võimendusallikat – materjali, mille struktuursed omadused võimaldavad sel valgust võimendada. Energiaallikas, näiteks taskulamp või elektrivool, ergastab aatomeid võimendusallikas, vabastades footoneid. Tavapäraselt sööstaksid need juhuslikes suundades justkui taskulambi laias valgusvoos, kuid laseri puhul kasutatakse peegleid kummalgi pool võimendusallikat suunatud kiire loomiseks.
Kui footonid põrkuvad peeglite vahel edasi-tagasi korduvalt võimendusallikat läbides, stimuleerivad nad teisi aatomeid vabastama täpselt sama lainepikkuse, faasi ja suunaga footoneid. Lõpuks vallandub konsentreeritud ühe sagedusega valgusvihk laserkiirena läbi ühe peegli.
Elus ja terve
Kasutatud on sadu erinevaid võimenduse keskkondi, sealhulgas erinevaid värvaineid ja gaase. Kuid keegi pole seni kasutanud elusaid rakke. Suuresti uudishimust ajendatuna otsustasid Malte Gather ja Seok-Hyun Yun teha katse imetaja rakuga.
Teadlased süstisid inimese neeru rakku DNA silmuse, mis kodeerib rohelise helendava proteiini (green fluorescent protein – GFP) võimendatud vormi. Algupäraselt meduusilt eraldatud GFP helendab sinise valgusega kokkupuutel roheliselt ning on seni olnud hindamatuks bioloogiliseks märgutuleks, aidates jälgida molekulide liikumise teekonda rakus ning heites valgust kindlate geenide avaldumisele.
Olles asetanud raku kahe peegli vahele, “pommitasid” uurijad seda sinise valguse impulssidega, kuni see hakkas helendama. Kui roheline valgus peeglite vahel põrkus, võimendusid eelistatult kindlad lainepikkused, kuni need purskusid laserkiirgusena läbi poolläbipaistvate peeglite. Olles töötanud mõne minuti laserina, oli rakk endiselt elus ja terve.
Christopher Fang-Yen, kes on uurinud üksikaatomi lasereid, kuid kes ei osalenud käesolevas uurimustöös, peab uut uurimust paeluvaks. “GFP on sarnane värvainetega, mida kasutatakse kaubanduslike värvlaserite tootmiseks, niisiis pole üllatav, et kui see asetada seesugusesse väikesesse kotti nagu rakk, ning seda siis optiliselt ergastada, peaks olema võimalik luua laser,” sõnab ta. “Kuid tõsiasi, et teadlased tõestasid selle toimimist, on väga vinge.”
Sisemised kujutised?
Yun’i peamine eesmärk oli katsetada, kas bioloogilise laseri loomine on võimalik, kuid ta on lisaks juurelnud ka mõne rakendusvõimaluse üle. “Meile meeldiks, kui looma keha sees oleks laser, mis genereeriks laserkiirgust otse looma kudedes,” väidab ta.
Tehnikas, mida nimetatakse laseroptiliseks tomograafiaks, paisatakse laserkiired väljastpoolt keha elus kudedesse. Viis, kuidas valgus edasi kandub ja hajub, võib paljastada koe suuruse, ruumala ja sügavuse ning luua kuvandi. Suutes luua pilte keha seest, võime saada palju detailsemaid kujutisi.
Muutmaks rakke elusate loomade sees laseriteks, peaksid need olema kujundatud avaldama GFP-d nii, et rakud oleksid võimelised helendama. Yun’i laseris olevad peeglid peaksid olema asendatud nanoskaalas metallitükkidega, mis käituksid valguse kogumisel antennidena.
“Eelnevalt peeti laserit kujundusmaterjaliks. Nüüd esitame me idee, mille kohaselt võib laserit integreerida ka bioloogilistesse süsteemidesse,” sõnab Yun.
Galeriid laseri loomisest saad vaadata siit.
Teadusartikkel: “Single-Cell Biological Lasers“