Синхротронные исследования в разы ускорят и удешевят работу фармацевтических, микроэлектронных и геологоразведочных компаний - эксперты

2025-12-09 14:26

Эксперименты на источнике синхротронного излучения позволят промышленным предприятиям в несколько раз ускорить и удешевить производственные процессы, при этом повысив качество своего продукта. Необходимость применения синхротронных методов в фармакологической, нефтедобывающей промышленности и микроэлектронике обсудили представители научного и индустриального сообщества на V Конгрессе молодых ученых в Сириусе.

Возможности СКИФ для фарминдустрии

Создание инновационных лекарственных препаратов и технологическое лидерство в этой области – важнейшая задача каждого государства для обеспечения здоровья и безопасности населения. В настоящее время все крупные игроки мировой фарминдустрии при разработке лекарств используют методы структурной биологии. Это необходимо для понимания механизмов процессов, происходящих в живых клетках на молекулярном уровне. Ведущим таким методом является рентгеноструктурный анализ, позволяющий определить трехмерную структуру белков и других макромолекул.

На сегодняшний день в публичных базах данных содержится более 250 тыс. макромолекулярных структур, 80% из которых получено методом рентгеноструктурного анализа. Эксперименты на источниках синхротронного излучения позволяют определить структуры молекул с высокой точностью.

«По статистике, применение структурной биологии при разработке лекарств позволяет сократить в 1,5 раза как стоимость разработки, так и время разработки. Метаанализ [1], опубликованный в журнале Nature reviews Drug Discovery, показывает, что от наличия применения методов структурной биологии на этапах разработки зависит вероятность успеха препарата на дальнейших клинических испытаниях. Знание того, как устроена мишень, как она взаимодействует с каждым кандидатом, позволяет понимать, как работает то или иное вещество на молекулярном уровне. Не имея данной информации, мы будем работать, как в тумане, занимаясь экстенсивным перебором условий», — отметил и. о. заведующего лабораторией структурной биологии рецепторов, сопряженных с G-белком МФТИ, к.ф.-м.н. Алесей Мишин.

По словам Алексея Мишина, технологический цикл разработки лекарств на ранней стадии состоит из четырех основных этапов: идентификация молекулярной мишени; поиск соединений, которые действуют на мишень и вызывают тот или иной отклик; определение соединения-лидера и его оптимизация до нетоксичного, усвояемого организмом варианта и, наконец, доклинические исследования на животных. Вещество, прошедшее все четыре стадии, может называться веществом-кандидатом, переходящим далее уже на ступень клинических испытаний.

Если не применять структурную биологию, то исследователям приходится решать эти задачи методом скрининга библиотек и перебора большого количества соединений, что ведет к значительным финансовым и временным затратам.

«Мы сможем проводить рентгеноструктурный анализ белков на станции «Структурная диагностика» ЦКП «СКИФ». Помимо станции в Центре планируется также создание инфраструктуры для подготовки объектов, что принципиально важно для структурных исследований, где подготовка образца может быть сложнее и дольше, чем само исследование. Для эффективного функционирования научно-технической инфраструктуры необходимо формирование вокруг неё сообществ, консорциумов академических и индустриальных пользователей», - добавил Алексей Мишин.

_{Генеральный директор АО «НПП «Радиосвязь» Ринат Галеев}

Генеральный директор АО «НПП «Радиосвязь» Ринат Галеев рассказал о том, что синхротронные исследования помогут значительно ускорить и повысить эффективность создания сенсоров для ранней диагностики разных видов рака и средств таргетной доставки онкопрепаратов.

Предприятие долгое время сотрудничает с ФИЦ КНЦ СО РАН КрасГМУ им. В.Ф. Войно-Ясенецкого, Красноярским онкологическим диспансером в области разработки и создания полупромышленных образцов медицинских изделий, и выступает индустриальным партнером для этих организаций в части создания новых средств диагностики и терапии, нано- микроэлектроники, интеллектуальных биосенсоров, бионаноманипуляторов и роботизированных систем на основе нанодисков и ДНК-аптамеров – «курьеров» для специфической доставки и «сенсоров» для обнаружения.

Предприятие создает лабораторию Бионаноэлектроники для разработки и производства инновационных средств диагностики и терапии онкологических заболеваний.

Например, совместная инновационная разработка этих организаций этих организаций - магнитные нанодиски, покрытые аптамерами, обеспечивающими адресную доставку и прикрепление к опухолевым клеткам. Эти наноскальпели в слабом, негреющем, переменном магнитном поле осциллируют и разрушают даже единичные опухолевые клетки. Это особенно важно для радикального удаления опухолей головного мозга. Лабораторные образцы наноскальпелей получены на пилотной производственной линии, разработан генератор переменного магнитного поля. Чтобы диски правильно работали, они не должны агрегировать, и молекулы аптамеров на них должны сохранять свою исходную форму, проверить это можно только с использованием методов синхротронного излучения.

Возможности СКИФ для микро- и наноэлектроники

АО «НПП «Радиосвязь» занимается созданием высокоточных систем наведения, микро и наноэлектроникой, инновационными медицинскими приложениями. Часто перед отраслью стоит проблема контроля качества нано- и микросхем, наночастиц, молекул, особенно на этапе разработки новых изделий. Нужно увидеть наноструктуры, которые находятся за пределами видимости.

Современное производство наноэлектроники сталкивается с серьезной проблемой — невозможностью без разрушения контролировать внутреннюю структуру, наличие скрытых элементов, аппаратных троянов или производственных дефектов. Традиционные методы деструктивного анализа не только медленны, но и не позволяют исследовать критические дефекты в рабочем состоянии изделий. Производители действуют вслепую на критических этапах контроля, что ведет к рискам и потерям.

В основе технологии, которая необходима для выхода на новый уровень, лежит метод птихографической рентгеновской томографии, который использует когерентное излучение и специальные алгоритмы для восстановления полной 3D-структуры по дифракционным данным. Это единственный метод, который позволит контролировать разработку и качество миниатюрных компонентов для наноэлектроники.

Возможности СКИФ для добывающей промышленности

Для успешной разведки и разработки месторождений геологоразведочные компании исследуют керны – образцы горной породы, извлеченные из скважины при бурении. Для того, чтобы проанализировать, как порода «отдает» нефть под давлением, применяется закачка в керны агентов – воды, газа, полимеров и т.д.

Традиционный анализ образцов кернов, применяемый в нефтегазовых компаниях, состоит из четырех этапов: микротомография пласта на промышленном рентгеновском томографе, контрастирование образца разными агентами для визуализации мелких пор и микротрещин, далее проводится электронная микроскопия образца с применением ионного травления с помощью специальной лабораторной установки. И, наконец, на четвертом этапе выполняется микроанализ – строится карта распределение минералов в исследуемом образце.

Этот способ анализа имеет ряд недостатков – высокая стоимость лабораторного оборудования, низкое разрешение промышленного томографа. Кроме того, зачастую нефтегазовые компании сталкиваются со сложной проблемой характеризации низкопронецаемых пород со сложным строением, а таких задач становится все больше, поскольку запасы относятся к разряду трудноизвлекаемых (ТРИЗ). Если для стандартных образцов эксперименты занимают несколько часов, то для низкопроницаемых могут длиться несколько месяцев, соответственно их стоимость увеличивается в десятки раз, а информативность при этом снижается почти на 40%.

Для повышения эффективности экспериментов реализуется проект по созданию цифрового двойника керна – на основе данных рентгеновской томографии реальных образцов керна строится детальная цифровая модель образца, с помощью которой сложные и дорогостоящие эксперименты можно перевести в цифровой формат.

Создание цифрового керна с помощью синхротронного излучения может повысить точность и цифровых моделей и, соответственно, геологических прогнозов.

_{Руководитель проекта «Цифровой керн» Группы компаний «Газпром нефть» Владислав Крутько.}

«Источник синхротронного излучения представляет для нас очень большой интерес для повышения точности исследования экспериментальных коллекторов. Сейчас пространственное разрешение наших лабораторных томографов ограничено 1,5 микронами. На станции «Микрофокус» ЦКП «СКИФ» мы надеемся получить улучшение еще хотя бы на полпорядка, что достаточно критично для увеличения точности наших расчетов. Также мы рассчитываем проводить динамические эксперименты на станции – визуализировать движение флюидов в поровых каналах. Еще одна важная и актуальная для нас задача - это возможность трехмерной визуализации распределения минералов в минеральной структуре горных пород», - рассказал руководитель проекта «Цифровой керн» Группы компаний «Газпром нефть» Владислав Крутько.