Μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε λέιζερ για να σκοτώσουν τα μικρόβια;

Το παλμικό φως λέιζερ είναι τόσο ισχυρό που όταν διασκορπίζεται από το αντικείμενο που χτυπά, προκαλεί ισχυρούς κραδασμούς που μπορούν να διαταράξουν τα μόρια του αντικειμένου και άλλα γειτονικά μόρια. Αυτή η έρευνα αιχμής μας δείχνει τρόπους ειδήσεων που θα μας βοηθήσουν να σκοτώσουμε παθογόνους οργανισμούς.

Περίπου 3 εκατομμύρια άνθρωποι μολύνονται από μικρόβια ανθεκτικά στα αντιβιοτικά ετησίως στις ΗΠΑ. Τέτοιες λοιμώξεις είναι πολύ πιο δύσκολο να αντιμετωπιστούν και γίνονται όλο και πιο συχνές. Καθώς τα αντιβιοτικά γίνονται λιγότερο χρήσιμα, χρειαζόμαστε μια εναλλακτική λύση για να βοηθήσουμε τους ανθρώπους να καταπολεμήσουν αυτά τα μικρόβια που είναι δύσκολο να σκοτωθούν.

Οι επιστήμονες αναζητούν άλλους τρόπους για να συνεχίσουν τον ατελείωτο πόλεμο με τους μικροοργανισμούς. Ένα από αυτά θα μπορούσε να είναι ακόμη και λέιζερ!

Σωστά! Θα μπορούσε να είναι δυνατή η χρήση λέιζερ για την εκτόξευση μικροβίων μέχρι θανάτου.

Τι είναι τα λέιζερ;

Πρώτον, γνωρίζατε ότι η λέξη «λέιζερ» είναι στην πραγματικότητα αρκτικόλεξο; Αντιπροσωπεύει την ενίσχυση του φωτός με διεγερμένη εκπομπή ακτινοβολίας - αρκετά μπουκιά. Το να πεις λέιζερ είναι σίγουρα πιο εύκολο!

Το λέιζερ είναι μια δέσμη φωτός που εκπέμπεται από διεγερμένα άτομα ή μόρια. (Φωτογραφία:Πολεμική Αεροπορία των ΗΠΑ/Wikimedia Commons)

Δεν είμαι φυσικός, αλλά μπορώ να δώσω τα βασικά για το πώς λειτουργούν τα λέιζερ. Απλώς χρειάζεται να δώσετε στα άτομα λίγη ενέργεια, συνηθέστερα σοκάροντας ένα αντικείμενο, όπως έναν κρύσταλλο, με λίγο ηλεκτρισμό. Αυτά τα άτομα προσπαθούν να σταθεροποιηθούν αφαιρώντας την περίσσεια ενέργειας, κάτι που κάνουν εκπέμποντας φωτόνια, γνωστά απλά ως σωματίδια φωτός.

Ωστόσο, τα βασικά λέιζερ εκπέμπουν συνεχώς φως, εφόσον υπάρχει μια πηγή ενέργειας που διεγείρει τα άτομά τους. Αυτό δεν είναι χρήσιμο, μερικές φορές, καθώς παίρνουμε πολλή ανεπιθύμητη θερμότητα από το λέιζερ που μπορεί να θερμάνει τα υλικά που αγγίζει. Τα λέιζερ πρέπει να τροποποιηθούν ώστε να μην εκπέμπουν συνεχώς φως.

Τα λέιζερ μπορούν να τροποποιηθούν ελέγχοντας τη ροή του ηλεκτρισμού έτσι ώστε τα άτομα να μην εκπέμπουν συνεχώς φως. Έτσι παίρνουμε διαφορετικούς τύπους λέιζερ, που εκτοξεύουν εκρήξεις φωτός σε διαφορετικά χρονικά διαστήματα. Ένας τέτοιος τύπος λέιζερ που μας ενδιαφέρει είναι τα λέιζερ εξαιρετικά βραχέων παλμών.

Τι είναι τα υπερμικρά παλμικά λέιζερ;

Τα υπερσύντομα παλμικά λέιζερ είναι λέιζερ που εκπέμπουν πολύ ισχυρό φως σε σύντομες εκρήξεις σε εξαιρετικά μικρά χρονικά διαστήματα, συνήθως σε επίπεδο femtoseconds. Ένα femtosecond είναι ένα τεταρτολιόστο του δευτερολέπτου!

Αυτή η τροποποίηση έκανε τα λέιζερ πιο ισχυρά και ευκολότερα στον έλεγχο. Και πάλι, δεν είμαι φυσικός, οπότε ίσως αυτό το βίντεο σας βοηθήσει να κατανοήσετε καλύτερα τόσο τα κανονικά όσο και τα παλμικά λέιζερ.

Η ουσία είναι ότι τα υπερμικρά παλμικά λέιζερ εκπέμπουν πραγματικά ισχυρές εκρήξεις φωτός. Λόγω αυτής της δύναμης μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε αυτά τα λέιζερ για να σκοτώσουν τα μικρόβια ή μάλλον να τα αδρανοποιήσουμε.

Μια πρόσφατη μελέτη έδειξε ότι αυτά τα λέιζερ θα μπορούσαν να σκοτώσουν το 99,9% των ανθεκτικών στα αντιβιοτικά βακτηρίων, των βακτηριακών σπόρων και των απενεργοποιημένων ιών.

Πώς τα λέιζερ υπερμικρών παλμών σκοτώνουν τα μικρόβια;

Τα σωματίδια φωτός ταξιδεύουν σε συγκεκριμένες συχνότητες. Μόλις αυτά τα σωματίδια χτυπήσουν ένα αντικείμενο, εκτρέπονται ή διασκορπίζονται, αλλάζοντας έτσι τη συχνότητα.

Είναι σαν να πετάς μια τρελή μπάλα πολύ δυνατά σε ένα μικρό δωμάτιο. Θα αναπηδήσει από τα πάντα και θα διασκορπιστεί σε ολόκληρο τον χώρο.

Όταν αυτά τα παλμικά σωματίδια φωτός χτυπούν ένα αντικείμενο, αυτό διασκορπίζεται, ένα φαινόμενο γνωστό ως σκέδαση Raman. Η ενέργεια του λέιζερ αναπηδά από κάθε αντικείμενο που χτυπά.

Εδώ παίζει ρόλο η δύναμη του λέιζερ. Αυτό το παλμικό φως λέιζερ είναι τόσο ισχυρό που όταν διασκορπίζεται από το αντικείμενο που χτυπά, προκαλεί ισχυρούς κραδασμούς που μπορούν να διαταράξουν τα μόρια του αντικειμένου και άλλα μόρια κοντά.

Η δόνηση είναι αρκετά ισχυρή για να σπάσει μοριακούς δεσμούς σε βιομόρια, όπως πρωτεΐνες και DNA. Έτσι, αν πυροβολούσα μερικά βακτήρια με αυτό το λέιζερ, ουσιαστικά θα διασπούσε τις πρωτεΐνες του σε μοριακό επίπεδο.

Παρόμοια με το πώς δονείται ένα πιρούνι συντονισμού όταν το χτυπάτε, τα μόρια πρωτεΐνης δονούνται αφού χτυπηθούν από το λέιζερ. Ωστόσο, οι πρωτεΐνες δεν προορίζονταν να δονούνται αφύσικα, επομένως διασπώνται.

Το λέιζερ μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για την απενεργοποίηση ιών. Μπορούμε να πυροβολήσουμε το λέιζερ στα σωματίδια του ιού και η ηλεκτρομαγνητική ενέργεια του λέιζερ θα πολώσει ή θα φορτίσει τα μόρια του ιού, όπως ακριβώς και οι πρωτεΐνες τους. Αυτή η ενέργεια αναγκάζει τις πρωτεΐνες να υφίστανται δονήσεις που ενεργούν κατά Raman. Ως αποτέλεσμα, οι δεσμοί υδρογόνου που συγκρατούν αυτά τα βιομόρια μαζί θα σπάσουν, γεγονός που οδηγεί σε δομική βλάβη της πρωτεΐνης.

Η επόμενη αποστολή αδύνατη…. για μικρόβια.

Τέτοια λέιζερ θα είχαν τόσα πολλά οφέλη. Για παράδειγμα, μετά από μια βαθιά τομή, θα μπορούσατε να λάμπετε το λέιζερ εξαιρετικά σύντομου παλμού στην πληγή για να σκοτώσετε τυχόν βακτήρια γύρω της, αποτρέποντας έτσι μια μόλυνση.

Δεν θα σκοτώσει το λέιζερ και ανθρώπινα κύτταρα;

Το μυστικό αυτής της δίκαιης ερώτησης βρίσκεται στη δύναμη του λέιζερ. Υπάρχει ένα συγκεκριμένο θεραπευτικό παράθυρο ισχύος λέιζερ που είναι ασφαλές στη χρήση χωρίς να βλάπτει τα κύτταρα μας. Αυτό το εύρος είναι 1-10 GW/cm2.

Τα ανθρώπινα κύτταρα δεν είναι σαν τα βακτηριακά κύτταρα ή τα ιικά σωματίδια. Είναι μεγαλύτερα, πιο πολύπλοκα και πυκνά συσκευασμένα με όλα τα οργανίδια τους.

Εάν χρησιμοποιούσαμε τα υπερσύντομα παλμικά λέιζερ σε υψηλότερη ισχύ, θα ήταν επιβλαβές για τα κύτταρά μας. Οι ιοί απαιτούν τη λιγότερη ισχύ για απενεργοποίηση, λόγω του απίστευτα μικροσκοπικού τους μεγέθους. Αν χρησιμοποιούσαμε λίγη περισσότερη ισχύ, το λέιζερ θα σκότωνε επίσης τα βακτηριακά κύτταρα. Εάν συνεχίσουμε να αυξάνουμε την ισχύ ακόμη περισσότερο, τότε τα ανθρώπινα κύτταρα ή τα κύτταρα θηλαστικών θα μπορούσαν να αρχίσουν να επηρεάζονται.

Πώς αλλιώς μπορούν να χρησιμοποιηθούν αυτά τα λέιζερ;

Η ικανότητα θανάτωσης μικροοργανισμών που έχουν αυτά τα λέιζερ προσφέρει διάφορες χρήσεις. Εκτός από το να πυροβολούμε απλώς τραύματα για την απολύμανση της περιοχής, θα μπορούσαμε επίσης να απολυμάνουμε άλλες επιφάνειες υλικού, να φτιάξουμε εμβόλια και να θεραπεύσουμε λοιμώξεις του αίματος. Για παράδειγμα, ο νοσοκομειακός εξοπλισμός, όπως οι χειρουργικές συσκευές, θα μπορούσε να γίνει αποστειρωμένος πυροβολώντας τους με αυτά τα λέιζερ.

Αυτά τα λέιζερ βοηθούν ακόμη και στην κατασκευή εμβολίων, καθώς προσφέρουν έναν ευκολότερο τρόπο απενεργοποίησης ιών ή βακτηρίων. Συνήθως, αδρανοποιούμε τους ιούς χρησιμοποιώντας χημικές ουσίες όπως η φορμαλδεΰδη, αλλά η χρήση λέιζερ θα ήταν πολύ πιο αποδοτική χρονικά και θα καθιστούσε δυνατή την παραγωγή εμβολίων χωρίς χημικά.

Θεωρητικά, η χρήση λέιζερ για τη θανάτωση μικροβίων που μεταδίδονται στο αίμα είναι επίσης δυνατή. Για παράδειγμα, ας πούμε ότι ένα θετικό στον ιό HIV που δεν γνωρίζει δωρίζει αίμα. Όποιος θα λάβει αυτό το αίμα δεν θα ξέρει ότι έχει σωματίδια HIV, τα οποία θα μπορούσαν να αποτελέσουν κίνδυνο. Ωστόσο, η διέλευση του αίματος μέσω αυτών των λέιζερ θα αδρανοποιούσε τα σωματίδια του ιού, καθιστώντας το αίμα ασφαλές στη χρήση.

Το μέλλον φαίνεται σίγουρα λαμπρό με αυτά τα λέιζερ στο χέρι!

Μια τελευταία λέξη

Αυτή η τεχνολογία λέιζερ υπάρχει εδώ και μερικές δεκαετίες, αλλά δεν έχουμε ακόμη αρχίσει να την εφαρμόζουμε για πρακτικούς σκοπούς. Ωστόσο, οι πιθανές χρήσεις του είναι η αποστείρωση προϊόντων αίματος ή φαρμακευτικών προϊόντων και η κατασκευή αδρανοποιημένων εμβολίων χωρίς χημικά.

Επί του παρόντος, η υπεριώδης ακτινοβολία ή άλλες μορφές ακτινοβολίας εφαρμόζονται για την αποστείρωση προϊόντων αίματος και φαρμακευτικών προϊόντων. Ωστόσο, υπάρχει πάντα κίνδυνος βλάβης και στο αίμα. Οι ακτίνες UV δεν μπορούν να σκοτώσουν επιλεκτικά τα κύτταρα, σε αντίθεση με τα λέιζερ υπερμικρών παλμών. Η ακτινοβολία είναι ένα εξαιρετικό εργαλείο για την αποστείρωση μη ζωντανών αντικειμένων, αλλά δεν είναι ασφαλές για χρήση σε ανθρώπους ή βιολογικά προϊόντα.

Οι ερευνητές πραγματοποιούν μελέτες για να ελέγξουν πόσο αποτελεσματικά αυτά τα λέιζερ μπορούν να σκοτώσουν βακτήρια, μύκητες, τα σπόρια και τους ιούς τους σε διαφορετικά περιβάλλοντα. Εάν διαπιστωθεί ότι είναι αποτελεσματικά, θα μπορούσαν ακόμη και να χρησιμοποιηθούν στη βιομηχανία τροφίμων για την αναστολή της μικροβιακής ανάπτυξης και τη βελτίωση της διάρκειας ζωής των τροφίμων.

Πρέπει ακόμη να γίνουν κάποιες τροποποιήσεις, όπως το βέλτιστο επίπεδο ισχύος και η διάρκεια έκθεσης. Σε λίγα χρόνια, μπορούμε να ελπίζουμε ότι θα δούμε αυτήν την τεχνολογία να εφαρμόζεται στη ζωή μας.

Καθώς η αντίσταση στα αντιβιοτικά αυξάνεται, καθιστώντας ορισμένα φάρμακα σχεδόν άχρηστα, χρειαζόμασταν φυσικές μεθόδους για την καταπολέμηση των μικροοργανισμών. Δεν είναι ότι τα μικρόβια μπορούν να αναπτύξουν αντοχή στο λέιζερ, καθώς δεν υπάρχουν γνωστές φυσικές βιολογικές διεργασίες που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την άμυνα έναντι των λέιζερ.

Αν και, όσον αφορά την κατασκευή εμβολίων, χρειάζεται περισσότερη έρευνα για να δούμε πόσο αποτελεσματικά θα είναι. Θα πρέπει να δούμε λεπτομερώς πόσο καλοί ιοί που απενεργοποιούνται με λέιζερ θα μπορούσαν να προκαλέσουν ανοσοαποκρίσεις.

Προς το παρόν, αυτές οι μικροβιακές ακτίνες θανάτου μας δίνουν έναν φιλικό προς το περιβάλλον, χωρίς χημικά και μη επεμβατικό τρόπο για να σκοτώνουμε επιλεκτικά μικρόβια!