Динамика элементарных процессов в сложных химических и биологических системах (2025-2027 гг.)

Руководитель – В.А. Надточенко

 Целью научного исследования является установление фундаментальных закономерностей динамики элементарных химико-физических процессов в сложных химических и биологических системах. Экспериментальные и теоретические методы данного исследования в самой общей формулировке относятся к фундаментальной проблеме взаимодействия света с веществом. В частности, данное исследование направлено на развитие методов фемтосекундной лазерной спектроскопии, нелинейно оптической спектроскопии-микроскопии, исследования сверхбыстрых элементарных процессов в химических и биологических системах. Фемтосекундная спектроскопия открывает возможность исследовать «чистые» квантовые состояния, регистрировать динамику когерентных квантовых волновых пакетов, применять методы когерентного контроля элементарным химическим актом. Также целью работы является исследование превращение вещества в интенсивном световом поле при взаимодействии с мощным фемтосекундным лазерным импульсом. Целью работы также является разработка новых методов спектрального-гиперспектрального анализа и химического картирования сложных химических и биологических систем. Развиваемые методы фемтосекундной нелинейно оптической спектроскопии-микроскопии, гиперспектрального анализа в совокупности с традиционными физико-химическими методами исследования должны позволить решить ряд фундаментальных задач связанных с исследованием механизмов защитного действия важнейших природных эндогенных регуляторов в условиях окислительного и/или радиационноо стресса, задач лазерного микромашининга и нанохирургии клеток, динамики экситонов и их распада с образованием электрон-дырочных пар в пигмент-белковых комплексах фотосинтеза, наноструктурированных фотокатализаторах и фотовольтаических системах, супрамолекулярных комплексах.

 Развитие методов фемтосекундной спектроскопии, нелинейной оптической спектроскопии-микроскопии. В этом направлении будут развиваться экспериментальные методы многоимпульсной фемтосекундной спектроскопии, среди которых будут методы 2D фемтосекундной спектроскопии, фемтосекундной когерентной рамановской спектроскопии.

 Динамика миграционно-ассистируемых спин-селективных физико-химических процессов в конденсированной фазе и проявления этих особенностей в эффектах постоянных и переменных электрических и магнитных полей в этих процессах. Предполагается, в частности, детально исследовать кинетику процессов с участием триплетных (Т) экситонов: ТТ-аннигиляции, тушение Т-экситонов дублетными частицами и т.д. Реакции с участием Т-экситонов очень важны как примеры процессов, позволяющих увеличить КПД солнечных батарей.

 Лазерная модификация материалов и микроструктурирование объекта под действием остросфокусированного фемтосекундного лазерного импульса. Ранее нами было показано, что органические материалы в интенсивном световом поле фемтосекундных импульсов можно преобразовать в углеродные наноточки (УНТ). В работе ставится задача развития методов синтеза УНТ при воздействии лазерных импульсов инфракрасного диапазона с варьируемой частотой повторения, длительностью и энергией.

 В дополнение к задаче о фотоионизации фемтосекундными импульсами будет выполнена разработка методов недеструктивной ионизации сложных органических веществ для их идентификации методами масс-спектрометрии. Фундаментальная часть работы состоит в исследовании механизмов транспорта ионов в системе «полярный раствор-мембрана-вакуум» а также в системе «атмосфера-раствор-мембрана-вакуум». Прикладная часть связана с разработкой эффективных ионных источников на основе использования трековых мембран для масс-спектрального анализа растворов и атмосферного воздуха.

 Фемтосекундная лазерная нанохирургия - нанохирургические лазерные манипуляции с отдельными органеллами внутри клетки без разрушения цитоплазматической мембраны клетки.

 Развитие методов биоимиджинга для определения эффектов воздействия ионизирующего и фемтосекундного лазерного излучения на биологические объекты. Будет выполнен анализ динамики репарации повреждений ДНК различного типа в эукариотических клетках, подвергшихся воздействию фемтосекундного лазерного излучения и выявлена связь с повреждениями вызванными ионизирующим излучением . Будут разработаны алгоритмы компьютерного зрения для анализа динамики фокусов белков репарации ДНК в облученных эукариотических клетках.

 Задачи спектрально-кинетического исследования антибиотикорезистентности и поиск альтернативных, а также новых антибактериальных средств природного происхождения формулируется в двух направлениях. Как сейчас установлено, продуцируемый во всех представителях живого мира  оксид азота (NO), выступает в живых организмах в качестве универсального регулятора разнообразных биологических процессов, с одной стороны как активатор этих процессов, а с другой как цитотоксический агент. Эти функции эндогенно  продуцируемый оксид азота выполняет только включившись в динитрозильные комплексы железа с тиол-содержащими лигандами (ДНКЖ-RS). Задачей дальнейшей работы является спектрально-кинетическое и медико-биологическое исследование, которое поможет создать на основе  ДНКЖ-RS лекарственные препараты против ковида-19 и гриппа, а также против бактериальных и микобактериальных заболеваний.  Второй задачей является определение влияния и роли противоионов в функционировании производных холина и эндогенных тиолов (глутатион, гомоцистеин). Получение полимерных материалов из биополимеров и биоосвместимых материалов, включающих производные холина, определение характеристик взаимодействия этих материалов с липидами и гидропероксидами в водных средах, оценка их бактерицидных свойств (нетканые материалы, полоски, браслеты). 

 Планируемые задачи с использованием время-разрешенных спектральных методов, гиперспектральных методов исследования, химического картирования и биомиджинга требуют развитых методов анализа больших объемов данных. Методы  машинного обучения (МО) – это необходимый инструмент для анализа и моделирования результатов сложных экспериментов в химии, физике и биологии. Доступность широкого круга таких методов актуальна для любой современной лаборатории. Предлагается разработать новую концепцию применения МО на базе веб-приложения, которое не требует инсталляции, а реализует вычисления в режиме свободного доступа. При этом все данные и модели сохраняются на компьютере пользователя и не поступают в облако. Ответственное применения методов МО требует тщательной проверки/валидации моделей для получения обоснованных выводов. Предлагается разработать новый подход к проверке моделей – метод Прокрустовой кросс-валидации, который может применяться для многомодальных и многоблочных данных.