В России разработана программа для оптических исследований межзвездной пыли, наночастиц и клеток крови

Программа значительно превосходит зарубежные аналоги

Изображение с сайта nsu.ru

Биофизик Новосибирского государственного университета Максим Юркин занимается развитием метода дискретных диполей. На его основе учёный разработал универсальную компьютерную программу ADDA, одним из приложений которой является моделирование светорассеяния биологическими клетками (в частности, клетками крови человека и бактериями).

Программа значительно превосходит по быстродействию и другим параметрам зарубежные аналоги. Наработки учёного НГУ применяются коллегами со всего мира для исследования и диагностики различных объектов: межзвёздная пыль, аэрозоли и град в атмосфере, неоднородные покрытия на бумаге, металлические наночастицы и многое другое.

О своих исследованиях Максим Юркин рассказал пресс-службе университета:

- В 2004 году я начал учиться в совместной аспирантуре университета Амстердама и ИХКГ. В Голландии я занимался разработкой метода дискретных диполей (метод расчета рассеяния света произвольными частицами, любой формы и структуры), который применяется в разных областях: от астрофизики и исследований атмосферы до определения эффективности пигментов при производстве бумаги и моделирования светорассеяния металлическими наночастицами и биологическими клетками. А в Новосибирске применял этот метод для анализа измерений на сканирующем проточном цитометре. Тогда же начал писать программу и в 2006 году выпустил первую версию в открытый доступ. Сейчас с помощью ADDA люди сами считают то, что им нужно, я лишь могу подсказать, как это сделать. Но в большинстве случаев я узнаю об использовании программы, только когда эти результаты уже опубликованы.

Изображение с сайта nsu.ru

Ещё в 90-е годы подобные изыскания проводил Брюс Дрейн (Bruce Draine) (Принстонский университет, США) с коллегами, которые пропагандировали использование метода дискретных диполей с помощью компьютерной программы DDSCAT. Сами они изучали межзвездную пыль: как она нагревается и ориентируется проходящим светом и как это влияет на свет, который доходит до Земли от далеких звезд. Однако разработка новосибирского учёного имеет ряд преимуществ, в том числе быстродействие - для стандартных задач ADDA в два раза быстрее.

- Те, кто когда-то использовал DDSCAT, могут легко перейти на ADDA. Моя программа консольная: всё сделано через командную строку (нет никакого графического интерфейса) и заточено под суперкомпьютеры. Это удобно для автоматизации большого объема вычислений. Если нужно посчитать тысячу частиц, пишется один скрипт, который просто подставляет нужные параметры, - объясняет Юркин. - Также в моей программе есть функции, которых нет у Дрейна. ADDA не ограничена объёмом памяти одного компьютера, что позволяет моделировать частицы практически неограниченного размера при наличии достаточно мощного кластера.

Сейчас программой пользуются около 50 ученых с разных концов Земли, которые по полученным результатам опубликовали около 200 научных статей (в том числе в журналах Nature Nanotechnology, ACS Nano и Nano Letters). Так, например, ученые из Лейдена (Голландия) использовали ADDA для интерпретации экспериментов по связыванию одиночных молекул с золотой наночастицей, что находится на пределе чувствительности современных методов. A финские астрофизики разрабатывали инновационное покрытие бумаги с необходимыми свойствами (определенный оттенок белого, чтобы не было бликов или наоборот). Они брали различные наночастицы в качестве компонентов такого покрытия и моделировали на суперкомпьютере, чтобы иметь представление, какой может получиться лист бумаги. Другой пример: аспирант из Германии недавно защитил диссертацию по использованию метода дискретных диполей: он сделал модуль для использования графического процессора (подходят и обычные игровые видеокарты) и внедрил его в код ADDA. Он также участвовал в развитии ADDA для прямого моделирования оптических свойств частиц на плоской подложке. Эта конфигурация очень распространена для наночастиц, но раньше подложку либо вообще игнорировали, либо учитывали приближенно. Данное продвижение опубликовано в Journal of Physical Chemistry C.

Изображение с сайта nsu.ru

- У нас в лаборатории активно занимаются кровью: эритроцитами, тромбоцитами, лимфоцитами и даже микрочастицами. Нам интересно работать с клеткой, особенно если можно воздействовать на её морфологию и увидеть изменения. Но даже просто определить трехмерную форму одиночной клетки – это далеко нетривиальная задача. Возьмем, например, эритроцит – он имеет форму двояковогнутого диска, для описания которого необходимы минимум три характеристики. Для решения обратной задачи, то есть определения этих характеристик плюс концентрации гемоглобина, нам пришлось создать базу данных оптических свойств 250 000 эритроцитов. Вот тут и пригодились возможности ADDA и мощности вычислительного кластера НГУ. Также ведутся работы по бактериям. Например, палочковидные бактерии можно измерить с помощью цитометра, потом добавить антибиотик и через час опять посмотреть, какого размера они стали. Если сдвинулось распределение по размеру - они растут, значит, что они устойчивы к антибиотикам, — объяснил Максим Юркин. - Сейчас это очень актуальная проблема в медицине, и можно создать хороший экспресс-метод на устойчивость к таким лекарственным средствам. Кроме того, тот же подход потенциально может помочь в определении качества молока и молочных продуктов.

- Мы поштучно измеряем микроскопические жировые частицы молока, смотрим - у части показатель преломления как у молочного жира, а у части - как у пальмового масла. Значит, при производстве этого продукта использовали эмульсию пальмового масла, чтобы сэкономить на молоке. Мы сейчас работаем над увеличением точности определения показателя преломления, чтобы надежно разделять молочный жир и заменители.

Помимо множества практических применений, ADDA способствует и фундаментальному развитию самой оптики. Речь идет о сложных неоднородных средах (например, реголиты Луны и других тел Солнечной системы), для моделирования оптических свойств которых используются феноменологические подходы, такие как уравнение радиационного переноса. Сама применимость этих подходов в каждом конкретном случае вызывает вопросы, что делает невозможным построение по-настоящему предсказательных моделей.

Лишь в последнее время использование ADDA в комбинации с другими методами заложило основы новой области науки, связанной со строгим (то есть с контролируемой точностью) решением этой задачи. Обзор этого развития Максим Юркин с коллегами опубликовали в высокорейтинговом журнале Physics Reports.