Этот хиральный мир

Что такое хиральность? Почему бывают не только закрученные молекулы, но и закрученный свет? Как это свойство можно использовать в науке и в жизни? Об этом рассказывает Денис Баранов, ведущий научный сотрудник и заведующий лабораторией передовой нанофотоники и квантовых материалов Московского физико-технического института.

— Денис, расскажите, каким образом ваши исследования связаны со светом?

— Все знают, что такое фотоны и свет: фотоны – это переносчики электромагнитной энергии. Свет существует вокруг нас постоянно, мы его часто не замечаем, но это среда, которая играет ключевую роль в нашей жизни. Свет, с одной стороны, переносчик энергии, практически всей нам доступной, за исключением ядерной. Солнечная энергия, энергия ветра, приливов, ископаемого топлива – все это прямо или косвенно связано со светом, который мы получаем от Солнца. 

С другой стороны, свет – это переносчик информации. Как непосредственно сам свет, так и электромагнитное излучение других частот – инфракрасные, терагерцовые волны, радиоволны. Свет – это такая физическая среда, с которой очень важно уметь работать, обрабатывать его,  «жонглировать» им – поглощать, перенаправлять, рассеивать, захватывать на какое-то время, изменять его длину волны, направление, какие-то характеристики. Этим занимается наука электродинамика, которая изучает распространение, рассеяние электромагнитных волн и их взаимодействие с веществом. И во всей этой электродинамике, которую люди открыли больше 150 лет назад (основные уравнения Джеймс Клерк Максвелл написал именно тогда) есть одна не очень большая, локальная дисциплина – нанофотоника, которой мы и занимаемся с моей группой в центре Фотоники и двумерных материалов на Физтехе. 

— Что такое нанофотоника? 

— Нанофотоника – это область электродинамики, которая занимается исследованиями того, как фотон взаимодействует с разными наноразмерными объектами, размер которых – от одного до нескольких сотен нанометров. Это атомы, молекулы, нанокристаллы, наночастицы, микрочастицы. Мы пытаемся теоретически и экспериментально обнаружить новые необычные эффекты и явления в этой области – то, что выходит за рамки того множества явлений, которые известны со школы. 

— Удалось ли вам обнаружить эти необычные явления? 

— Да, время от времени удаётся. Иногда теоретики обнаруживают что-то новое, приходят к экспериментаторам и предлагают реализовать этот эффект, говорят: давайте попробуем сделать такую систему или структуру!

— Расскажите, что это за эффекты? 

— Расскажу про хиральные резонаторы – это один из объектов, которые мы давно начали и до сих пор продолжаем исследовать. Существуют объекты, которые называются «хиральными», и они есть не только в нанофотонике, но и в обычной жизни, на обычном масштабе, например, наши ладони. Они могут быть правыми, могут быть левыми: вы берете правую ладонь, отражаете её в зеркале, получаете левую ладонь. Особое свойство любых хиральных объектов в том, что, как бы мы их ни перемещали и вращали в пространстве, мы никогда не сможем их совместить друг с другом. Геометрические объекты, обладающие таким свойством, называются хиральными.

— Но не все объекты такие? 

— Не все. Если я возьму, например, теннисный мяч и не буду обращать внимания на наклейки на его поверхности, то он не хиральный. Что правый, что левый – я их все могу совместить. Правых, левых мячей, шаров, сфер не бывает – они все одинаковые. А вот ракушки ископаемых, улиток, спирали – все хиральные.

— И какое отношение мячи и ракушки имеют к нанофотонике? 

— Не только объекты на нашем макромасштабе бывают хиральными – такими бывают и молекулы, в частности молекулы, которые есть внутри нас: ДНК, аминокислоты или белки, молекулы лекарств и других биологически активных веществ. Нейротрансмиттеры, нейромедиаторы – дофамин и адреналин – тоже являются хиральными. Это значит, что бывает «правая» и «левая» молекула. 

Например, если вы примете лекарство с молекулами ибупрофена правильной хиральности – «правый» ибупрофен, он будет эффективным противовоспалительным средством. А левый ибупрофен – его зеркальное отображение – практически никакого действия на ваш организм не окажет. 

— Действительно, «левые» лекарства лучше не принимать. Но как их отличить друг от друга?

–– Вот здесь нам на помощь приходит нанофотоника, потому что почти все физические характеристики у правого и левого ибупрофена будут одинаковые. У них одинаковая плотность, цвет, температура плавления. Однако, оказывается, фотоны, с которых я начинал свой рассказ, тоже бывают хиральными. Фотоны могут быть закрученными либо в правую, либо в левую сторону. Грубо говоря, фотон – это осциллирующее, колеблющееся в пространстве и времени электрическое и магнитное поля. И эти поля могут быть закрученными в виде спирали, которая может быть правой, может левой.

Таким образом, фотоны – частицы, которые переносят электромагнитное поле – тоже могут быть правыми и левыми. Они взаимодействуют с молекулами аминокислот, сахаров, белков, лекарств, с тем же ибупрофеном. Иначе говоря, фотон может поглотиться или рассеяться молекулой или «пройти насквозь», не замечая её.

Интуитивно ясно, что правый фотон и правая молекула ибупрофена, скорее всего, провзаимодействуют с большей вероятностью, чем тот же правый фотон и левая молекула ибупрофена. То есть, посветив на смесь правых и левых молекул хирального вещества светом с нужной закруткой (а мы легко умеем делать свет с нужной закруткой с помощью достаточно простых фильтров, поляризаторов и волновых пластинок), и сравнив, сколько проходит правых, а сколько левых фотонов, можно понять, состоит эта смесь из преимущественно правых или левых молекул или, скажем, 50 на 50.

А это значит, мы сможем определить с помощью оптического взаимодействия, с чем имеем дело. Однако проблема состоит в том, что отличие правой молекулы от левой очень слабое – оно отличается на сотые, тысячные доли процента.

— Неужели фармакологи проводят такую сложную аналитическую работу, чтобы на прилавки не попали неправильно закрученные вещества? 

— Конечно, такую работу проводить нужно, и сейчас это очевидно. Ещё в начале 20-го века люди не понимали, что лекарственные препараты могут быть хиральными. Из-за этого случались довольно драматичные истории в истории фармакологии. Препарат оказывался хиральным, его химия была такая, что синтезировалась смесь, и в отличие от ибупрофена, у которого неправильный энантиомер (это зеркальная копия вещества) для организма нейтрален, бывают препараты, у которых один из энантиомеров оказывается токсичным. В ходе исследований испытуемые принимали смесь, которая содержала в себе токсичный энантиомер вещества.

Потом учёные поняли, что надо отличать правое от левого и либо синтезировать чистое вещество, либо после синтеза отделять и получать более чистую смесь. Сегодня мы знаем, что примерно половина лекарств являются хиральными, и больше 80% синтезируются в виде смеси двух энантиомеров. 

— А если брать только правильно закрученные вещества, то их действие будет сильнее? 

— Да, препарат будет чище, влияние сильнее. Но если другой энантиомер безвредный и на вас не действует, в этом нет большого смысла. Однако, если другой энантиомер токсичен, тогда от него надо избавляться – либо в ходе синтеза, либо уже после. Это не моя область научных задач – я занимаюсь хиральной нанофотоникой. Мы исследуем, как усилить взаимодействие хирального света с хиральным веществом. Именно здесь мы свои открытия и делаем. 

— Какие открытия вы сделали? 

— Как я уже сказал, нам нужно научиться усиливать взаимодействие света с веществом. Для этого нужно взять некий резонатор, «запереть» в нём свет, чтобы фотон бегал туда-сюда между стенками – грубо говоря, это два зеркала. Этот резонатор заполняется веществом, и фотон уже не один раз проходит сквозь вещество, а много-много раз. При этом взаимодействие между светом и молекулой становится более вероятным. Но проблема появляется, когда вы пытаетесь запереть в этом резонаторе не простой фотон, а хиральный. 

Денис Баранов, ведущий научный сотрудник и заведующий лабораторией передовой нанофотоники и квантовых материалов Московского физико-технического института. Фото из личного архива.

Оказывается, когда вы берёте этот ящик-резонатор из двух зеркал и направляете туда хиральный фотон, например, правый, то при отражении от зеркала фотон становится левым. Это очень просто визуализировать, представив, как работает зеркало. 

Так вот, у нас вместо того чтобы правый фотон начинал бегать туда-сюда, начинает бегать смесь. Туда бежит правый, обратно – левый. И мы имеем смесь двух фотонов, чего мы не хотим: нам хотелось бы иметь ситуацию, когда между стенками резонатора много сотни тысяч раз бегал фотон с одной закруткой. 

— Разве такое возможно? 

— Да, но оказалось, что такие зеркала, которые способы правый фотон отразить обратно в правый, очень сложно сделать. Сперва даже было непонятно, как подойти к решению этой задачи. Напрашивалась идея взять два таких зеркала, составить из них резонатор и запитать фотонами снаружи, чтобы фотон бегал туда-сюда. Мы пришли к желаемому результату – получили систему, пока только теоретически, в которой бегает правый или левый фотон, и продолжаем её изучать. Это одно из самых интересных наших изысканий на сегодня. 

— Но ведь теоретическое изыскание нельзя считать окончательно доказанным, пока его не подтвердили экспериментально. Вы собираетесь это делать? 

— Да, мы собираемся делать такие структуры. Это будет очень непросто, потому что в теории мы можем заниматься «сферическими конями в вакууме», где можно делать идеальные структуры, без шумов, без погрешностей. Разумеется, в жизни все сложнее, в системах есть беспорядки и погрешности. Но мы сейчас думаем, как такую систему сделать, и не только сделать, но и как-то «залезть» внутрь, попытаться измерить   хиральное электромагнитное поле, которое индуцируется внутри резонатора. Это тоже будет очень непросто, но, возможно, нам помогут хиральные молекулы, которые мы  можем поместить внутрь резонатора и посмотреть, что там с ними происходит.

— В чём оригинальность вашей работы? 

– Мы первые, кто додумался взять два таких зеркала, поместить их одно над другим и собрать высокодобротный резонатор, который работает селективно. Между этими зеркалами будет бегать не просто хиральный фотон – можно эти зеркала выбирать теоретически и располагать взаимно таким образом, чтобы между ними, например, бегал только правый фотон, но не бегал левый. 

— Почему это интересно? 

— Допустим, есть смесь молекул ибупрофена: «правых» и «левых». Мы помещаем между зеркалами правые молекулы, и там бегает электромагнитная волна с правой закруткой. Этот правый фотон начинает интенсивно взаимодействовать с правыми, а что происходит при взаимодействии света с веществом – это уже история про другую нашу сферу исследования – поляритоны. Но мы знаем, что при сильном взаимодействии света с этим самым веществом могут происходить определённые вещи с его материальными характеристиками.

— А что с ними может происходить? 

— Может изменяться вакуумная энергия этого вещества. Вот у нас есть ансамбль молекул, мы их помещаем в этот резонатор, в полной темноте – без фотонов. Мы знаем, как теоретически, так и из последних экспериментальных работ, что при взаимодействии вещества с фотонами нашего резонатора материальные уровни энергии вещества могут начать сдвигаться. Происходит это в том числе с самым низшим уровнем энергии. У любой системы есть какой-то набор уровней энергии, и есть основной уровень, в котором эта система находится в покое, без каких-либо возбуждений. Это так называемое вакуумное, или основное состояние. 

Наши аналитические расчёты, проведённые с помощью разных инструментов,       предсказывают, что если мы возьмём хиральный резонатор, по которому бегает только правый фотон, то при помещении туда правых и левых хиральных молекул произойдёт небольшой дисбаланс. Правые молекулы будет обладать более высокой вакуумной энергией, левые – более низкой. Скорее всего, дисбаланс, к сожалению, будет небольшим, но наши вычисления показывают, что он действительно будет.

Таким образом, просто загружая в этот резонатор хиральное вещество, мы можем внести дисбаланс между вакуумными энергиями двух энантиомеров. А это значит, что в перспективе мы сможем получить в наше распоряжение инструмент, который позволит динамически влиять на баланс синтеза в химических реакциях.

— Правильно ли я понимаю, что в результате вы увеличиваете эффективность действия того или иного вещества? 

— Не совсем так. В результате мы надеемся, что это изменит равновесие в химическом синтезе. Если прежде какая-то химическая реакция происходила с выходом правого и левого энантиомера в пропорции 50 на 50, то помещение реакции в такой оптический резонатор поможет сместить равновесие и на выходе производить больше того энантиомера, у которого ниже вакуумная энергия. Это пока достаточно фантастический эффект, но, тем не менее, аналитические расчеты, произведённые при помощи разных инструментов, предсказывают, что в принципе так и должно происходить. 

— Почему важно получить вещество с более низкой вакуумной энергией? 

— Чем ниже вакуумная энергия какой-либо системы – ансамбля молекул определённой хиральности, например – тем выше вероятность, что в ходе синтеза будут получены именно данные молекулы. И мы полагаем, что асимметрия вакуумных энергий может сместить равновесие в синтезе хиральных лекарственных средств в нужную сторону.

— Вы всё время говорите про ибупрофен – означает ли это, что вы с ним работаете? 

— Нет, мы с ним не работаем, это просто один из наших любимых примеров в этой области. Для исследователей нанофотоники, которые занимаются хиральными веществами, ибупрофен – идеальное вещество, потому что он у всех на слуху, он хиральный, и он в своей рыночной форме является смесью. 

— А с какими молекулами вы работаете? 

— Сейчас мы с молекулами не работаем. Не всегда в наших исследованиях мы привязываемся к реально существующей платформе, структуре или веществу. Для нас и для всех групп, которые занимаются экспериментальными исследованиями, ценность исследований тем выше, чем более общим является результат, эффект, явление, которое мы предсказываем. Понятно, что, если в исследовании, уравнении предполагать не одну конкретную молекулу с конкретными характеристиками, а модель, описывающую широкий класса молекул, то это исследование будет общим, и в каком-то смысле его ценность будет выше. 

— По сути, вы хотите понять, как устроен наш мир, в котором присутствует хиральность. Такой философский вопрос: как вы думаете, зачем она вообще? 

— Это вопрос очень хороший, но нерешённый. Это называется проблемой гомохиральности. Почему наши организмы состоят из молекул определённой хиральности? Почему молекула ДНК – «левая», а сахара – «правая»? Почему нет смеси, почему не наоборот? 

Есть разные гипотезы. Одна из них предполагает, что в простейших формах жизни была смесь, клетки с «правыми» ДНК и с «левыми», но в какой-то момент симметрия нарушилась, стало одних клеток чуть больше, чем других. Динамический баланс так устроен, что, как только одного становится больше, это тянет за собой другое, и очень быстро приходит в состояние, где 100% «правых» и 0% – «левых». Это называется неустойчивым равновесием, и так устроена химия жизни. Это теория неустойчивого катализа, при котором равновесие очень быстро смещается в одну сторону, как только происходит дисбаланс. 

Есть ещё гипотеза, связанная с тем, что гомохиральность появилась вследствие нарушения П-симметрии в слабом взаимодействии. У нас, как мы знаем, есть четыре  фундаментальных взаимодействия: гравитационное – притяжение масс, электромагнитное – то, чем мы занимаемся: фотоны, свет; сильное – это ядерное взаимодействие, и слабое. Вот это слабое взаимодействие достаточно странное, потому что там нарушается зеркальная симметрия. Процессы, которые вроде бы должны были происходить одинаково, происходят по-разному. В 1960-70-х годах появились экспериментальные свидетельства того, что в слабом взаимодействии зеркальная симметрия нарушается. 

— То есть, в слабом взаимодействии есть какая-то хиральность? 

— Да. И есть гипотеза, что именно хиральность этого слабого взаимодействия привела к появлению хиральности в организмах. Очень сложно в это поверить: где слабые взаимодействия на масштабе субатомных частиц, таких как нейтрино, которые проходят Землю без столкновения, и где жизнь? Но времени у жизни было достаточно – миллиарды лет, может, что-то успело произойти? Ответа нет, есть только гипотезы.

— А почему тогда в природе не всё хирально? 

— Тоже не знаю. Вопрос отсутствия хиральности в определённых системах и процессах остаётся открытым. 

— Среди живых систем встречаются те, у кого отсутствует хиральность? 

— Скорее всего, нет: любой живой организм содержит в себе если не ДНК, то, по крайней мере, РНК, а это тоже спирали, которые обладают хиральностью. Даже простейший вирус будет неизбежно хиральным. 

— Может быть, это и есть подсказка на пути поисков ответа на вопрос: для живого хиральность – необходимое условие? 

— Возможно. Но в любом случае, тут ещё есть, над чем поломать голову.