Uskumatu eksperiment: nano-osakesed panid hiired nägema infrapuna-valgust
Hiina teadus- ja tehnikaülikooli loodusteaduskonna professori Tian Xue ja Massachusettsi ülikooli arstiteaduskonna biokeemia ja molekulaarfarmakoloogia aseprofessori Gang Hani juhtimisel modifitseeris uurimisrühm hiirte nägemismeelt selliselt, et nood hakkasid lisaks loomulikule normaalvalguse nägemise võimele nägema lähi-infrapunakiirgust ehk LIP-kiirgust (ingl NIH, near-infrared light). Selleks süstiti katseloomadele silma spetsiaalseid nano-osakesi, mille nägemismeelt muutev toime kestab ilma tõsiste kõrvalnähtudeta umbes kümme nädalat.
Sarnaselt hiirtele on inimestele nähtav vaid piiratud osa elektromagnetiliste lainete spektrist. Inimsilmale nähtamatute lainepikkuste ulatus on tohutu, mistõttu ei näe me midagi, mille lainepikkus jääb väljapoole nn nähtava valguse spektrit (s.t lainepikkuseid 380 ja 740 nanomeetri vahel). Infrapunakiirgus paikneb spektri pikemate lainepikkuste vahemikus, mis ulatub umbes 800 nanomeetrist terve millimeetrini. Infrapunakiirgusest kaugemale jäävad veelgi pikema lainepikkusega mikrolained ja raadiolained.
Prille pole vaja, silmadest piisab
Praktiliselt kõik objektid kausitäiest kuumast supist inimkehade ja isegi pealtnäha külmade asjadeni nagu jäätükk kiirgavad infrapunakiirgust, kuna neist õhkub soojust. Imetajad nagu inimesed ja hiired LIP-valgust ei näe, kuid inimeste käsutuses on tehnika - näiteks infrapunaprillid, mis muidu nähtamatu spektriosa meile nähtavale kujule teisendavad. Hiirte peal eksperimendi käigus rakendatud uus tehnika teeb midagi sarnast, kuid kantava seadme loomise asemel võtsid uurijad sihikule nägemismeele aluseks oleva bioloogia.
Selleks, et hiired saaksid näha valgust, mis jääb väljapoole tavalist nähtavat spektriosa, töötasid Tian ja Gang välja spetsiaalsed “ülesteisendus-nano-osakesed” (ingl upconversion nanoparticles), mis suudavad funktsioneerida näriliste olemasolevates nägemisstruktuurides. Imeväikseid osakesi sisaldavad veetilgad süstiti otse katseloomade silmadesse, kus need spetsiaalsete “ankrute” abil kindlalt valgustundlike rakkude külge kinnitati.
Valgustundlikud rakud, nn kepikesed ja kolvikesed neelavad tavaliselt nendeni jõudvat nähtavat valgust, mida aju tõlgendab nähtava vaatepildina. Antud katses aga teisendasid silma sisestatud nano-osakesed nendeni jõudvat LIP-valgust “üles” nähtavaks valguseks, mida hiirte ajud suutsid töödelda samamoodi nagu nähtavat valgust (antud juhul tajusid nad LIP-valgust rohelise valgusena). Nano-osakesed jäid rakkudele püsima peaaegu kaheks kuuks, võimaldades hiirtel selle aja jooksul näha nii nähtavat kui ka LIP-valgust ilma tõsiste kõrvalmõjudeta,
Põhimõtteliselt toimisid valgustundlikele rakkudele kinnitunud nano-osakesed infrapunakiirguse muunduritena. Nano-osakesed püüdsid pikemad infrapuna-lained võrkkestale, kust need saadeti edasi juba lühema lainepikkusega nähtava valguse kujul. Tänu sellele suutsid lühema lainepikkusega valgust neelavad kepikesed ja kolvikesed signaali vastu võtta ja saata sel moel “ülesteisendatud” informatsiooni aju nägemiskeskusele töötlemiseks.
Tavanägemine häiritud pole
Konkreetselt neelasid silma süstitud nano-osakesed LIP-valgust lainepikkusega umbes 980 nanomeetrit ja teisendasid selle valguseks lainepikkusega umbes 535 nanomeetrit. Hiirte jaoks tähendas see, et nad tajusid osa infrapunasest spektrist rohelise värvusena. Tulemus on mõneti sarnane infrapunakiirguse tajumisele infrapunaprillide abil, ainult et hiirtel säilis samal ajal ka normaalse nähtava valguse nägemise võime. Nagu öeldud, oli kirjeldatud mõju ajutine ja vältas paar nädalat; mõnedel katseloomadel läksid selle aja jooksul sarvkestad uduseks, kuid selginesid kiiresti.
Tõendamaks, et nende leiutatud meetod tõesti toimib, korraldasid Tian ja Gang jada eksperimente. Näiteks täheldati töödeldud silmadega hiirtel LIP-valguses pupillide laienemist, mida süstimata kontrollrühma-hiirtel ei esinenud. Samuti näitasid ainuüksi LIP-valgusega mõjutatud hiirte aju elektrilise aktiivsuse mõõtmised, et nende silmad ja nägemiskeskus toimisid samamoodi nagu nähtava valguse mõjul.
Ka hiirte käitumine vastavates katsetes näitas, et meetod toimib. Y-kujulisse vesilabürinti paigutatud hiirtele õpetati, kuidas leida LIP-valgusekraaniga tähistatud peidetud päästeplatvormi. Nano-osakeste süsti saanud hiired leidsid platvormi korduvalt kiiresti üles, samas kui töötlemata hiired jäid labürinti sihtult ringi ujuma. Teine katse hõlmas kaheks lahtriks jaotatud karpi; üks lahter oli täiesti pime, teine valgustatud LIP-valgusega. Öise eluviisiga loomadena kalduvad hiired eelistama pimedust. Katsete raames veetsid silmasüsti saanud hiired rohkem aega lauspimendatud lahtris, samas kui töötlemata hiirtel ühe või teise lahtri suhtes eelistusi ei täheldatud.
Toimiks ka inimestel
Uurimust tutvustanud pressiteates märkis Tian, et nano-osakesed kleepusid nii kepikeste kui ka kolvikeste külge ja aktiveerusid lähi-infrapunavalguse toimel, mistõttu uurijad usuvad, et sama tehnika peaks töötama ka inimsilmas — mitte ainult “supernägemise” tekitamiseks, vaid ka ravieesmärgil punase värvuse nägemise puude korrigeerimiseks.
Tian möönis, et inimeste jaoks tuleks meetodit kohandada, kuid kinnitas samas, et värske eksperiment annab mõista, et see on võimalik. Nano-osakeste abil saaksime näha paljusid asju, mis jäävad väljapoole meie normaalset nägemisvõimet, ja need annaksid meile ka suutlikkuse öösel näha. Tian selgitas teadusajakirjale Cell: “Inimesed on alati püüdnud luua uusi tehnilisi lahendusi, mis annaksid meile meie loomulikest võimetest paremaid võimeid. Inimestele nähtav valgus katab vaid tillukese murdosa kogu elektromagnetlainete spektrist. Ent nähtavast valgusest lühema või pikema lainepikkusega elektromagnetlained kannavad väga palju rohkem informatsiooni. Sõltuvalt materjalist võivad objektid LIP-laineid väga spetsiifilisel moel neelata ja peegeldada. Palja silmaga me seda informatsiooni tajuda ei suuda.”
Teine tähelepanuväärne asi selle potentsiaalse tajutäiendusviisi juures on, et see ei nõua kasutajalt suurte, kohmakate ja energiat neelavate seadmete, nt eelmainitud infrapunaprillide kaasaskandmist. Samuti ei eelda see geenide muundamist. Tõenäoliselt pakub avastus sõjaväele suurt huvi.
Tulevikus soovivad Tian ja Gang tehnikat parendada orgaaniliste nano-osakestega, mis koosnevad USA toidu- ja ravimiameti FDA heakskiidu saanud ühenditest ja võiksid anda tulemuseks veelgi täiuslikuma infrapuna-nägemisvõime. Samuti kavatsevad nad meetodit modifitseerida nii, et see inimeste bioloogiliste iseärasustega paremini kokku klapiks. Tehnika tulevikku optimistlikult suhtuvad teadlased on juba sisse andnud oma tööga seonduva patenditaotluse.
