«Ακόμη ένα όπλο στη μάχη με τον κοροναϊό»

Η τεχνολογία την οποία διαθέτει η επιστημονική κοινότητα σε μία δεδομένη χρονική περίοδο καθορίζει σε μεγάλο βαθμό το εύρος των ανακαλύψεων, και ως εκ τούτου διαμορφώνει την εικόνα που έχει ο άνθρωπος για τη φύση. Η αναβάθμιση η οποία πραγματοποιήθηκε στην Ευρωπαϊκή Εγκατάσταση Ακτινοβολίας Σύγχροτρον (ESRF) στην Γκρενόμπλ της Γαλλίας, μετά την προσθήκη της εγκατάστασης υπό το όνομα Extremely Brilliant Source (EBS), αποτελεί μία επανάσταση για την επιστημονική κοινότητα, η οποία πλέον διαθέτει ένα πανίσχυρο εργαλείο για να ανακαλύψει καλά κρυμμένα μυστικά της δομής της ύλης, τα οποία μέχρι πρότινος αδυνατούσε να «δει». Το ΒΗΜΑ-Science συνομίλησε με τη δρα Κατρίν Βενιέν-Μπριάν, καθηγήτρια Βιοφυσικής στο Πανεπιστήμιο της Σορβόννης και πρόεδρο της Γαλλικής Εταιρείας Μικροσκοπίας (Sfμ) για να μας εξηγήσει με ποιους τρόπους το αναβαθμισμένο σύγχροτρον θα συμβάλει στις έρευνες των επιστημόνων.

Πόσο σημαντική είναι η αναβάθμιση του ESRF;

«Το ESRF-EBS της Γκρενόμπλ είναι το πρώτο σύγχροτρον υψηλής ενέργειας τέταρτης γενιάς και άνοιξε τις πόρτες του στους ερευνητές τον Αύγουστο του 2020. Τα εγκαίνια του συγχρότρου αυτού αποτελούν ορόσημο για την επιστημονική κοινότητα η οποία ασχολείται με τις ακτίνες Χ. Το συγκεκριμένο σύγχροτρον θα επιτρέψει την εξερεύνηση της ύλης σε τρεις διαστάσεις, από την κλίμακα του μέτρου μέχρι αυτή του μικρομέτρου, και ως εκ τούτου θα βοηθήσει τους επιστήμονες να κατανοήσουν καλύτερα την πολυπλοκότητα της έμβιας και της συμπυκνωμένης ύλης. Θα επιτρέψει τον χαρακτηρισμό της δομής των υλικών και της έμβιας ύλης με έναν πολύ πιο ποσοτικοποιημένο τρόπο σε σύγκριση με το σύγχροτρον της προηγούμενης γενιάς, πιο γρήγορα και σε ανάλυση η οποία δεν είχε επιτευχθεί ποτέ άλλοτε. Η συγκεκριμένη εγκατάσταση παράγει εξαιρετικά πυκνές δέσμες ακτίνων Χ, λεπτές όσο μία τρίχα αλλά 100 φορές πιο λαμπρές από αυτές που παράγονται στα καλύτερα σύγχρονα σύγχροτρα και 10 τρισεκατομμύρια φορές πιο έντονες σε σχέση με τις ακτίνες οι οποίες χρησιμοποιούνται στα νοσοκομεία».

H Κατρίν Βενιέν-Μπριάν είναι καθηγήτρια στο Πανεπιστήμιο της Σορβόννης και πρόεδρο της Γαλλικής Εταιρείας Μικροσκοπίας

Ιστορικά, πώς τοποθετείται αυτή η εξέλιξη;

«Τη δεκαετία του 1970 ήρθαν τα σύγχροτρα δεύτερης γενιάς, των οποίων η λαμπρότητα ήταν 100.000 φορές μεγαλύτερη από αυτή του Ηλίου. Στη δεκαετία του 1990, με τη χρηματοδότηση ευρωπαϊκών χωρών, δημιουργήθηκε το πρώτο σύγχροτρον τρίτης γενιάς στο ESRF στην Γκρενόμπλ. Η λαμπρότητα των ακτίνων πολλαπλασιάστηκε κατά 1.000 φορές. Αυτή επιτεύχθηκε ωθώντας πακέτα ηλεκτρονίων στους δακτυλίους αποθήκευσης και ευθυγραμμίζοντάς τα όσο το δυνατόν περισσότερο ως προς τον κάθετο άξονα. Η στρατηγική που ακολουθείται για να αυξηθεί ακόμη περισσότερο η λαμπρότητα στο σύγχροτρον τέταρτης γενιάς είναι η δημιουργία πιο πυκνών πακέτων ηλεκτρονίων και η ευθυγράμμιση όχι μόνο ως προς ως τον κάθετο αλλά και ως προς τον οριζόντιο άξονα. Ετσι, τα ηλεκτρόνια κυκλοφορούν σε στενές λωρίδες, όπως θα έκανε ένα μεμονωμένο σωματίδιο. Επιπλέον, χρησιμοποιήθηκε μία νέα διαμόρφωση των μαγνητών για την καθοδήγηση και την εστίαση των ηλεκτρονίων. Η διαδικασία αυτή είναι αρκετή για να καταστήσει τις δεσμίδες των ακτίνων Χ εκατό φορές πιο λαμπρές και συνεκτικές».

Σε ποια επιστημονικά πεδία μπορεί να χρησιμοποιηθεί;

«Το ESRF-EBS θα συμβάλει να αντιμετωπίσουμε προκλήσεις παγκόσμιου ενδιαφέροντος σε πεδία όπως η υγεία, το περιβάλλον, η ενέργεια και τα βιομηχανικά υλικά, αλλά και να ξεκλειδώσουμε κρυμμένα μυστικά της φυσικής και πολιτιστικής κληρονομιάς μέσω μη επεμβατικών τεχνικών έρευνας σε πολύτιμα αντικείμενα γεωλογικών και παλαιοντολογικών θησαυρών. Μία ιδιαίτερη πτυχή του συγχρότρου τέταρτης γενιάς είναι ότι κάνει δυνατή την παρατήρηση εξαιρετικά γρήγορων δυναμικών φαινομένων σε πολύ μικρή κλίμακα. Τέτοια φαινόμενα είναι, παραδείγματος χάριν, η διαδικασία φόρτισης και αποφόρτισης μιας μπαταρίας στην περιοχή των ηλεκτροδίων, βασικό στοιχείο για βιομηχανικές εφαρμογές, ή ακόμη οι δομικές τροποποιήσεις των χημικών καταλυτών καθώς αυτοί αλλοιώνονται με τον χρόνο».

Θα μπορούσατε να μας δώσετε μερικά ακόμη παραδείγματα χρήσης του συγχρότρου;

«Μερικά χαρακτηριστικά παραδείγματα είναι η εξερεύνηση του εσωτερικού ενός ανθρώπινου οργάνου όπως η καρδιά, ο πνεύμονας, το ήπαρ, η παρατήρηση μιας χημικής αντίδρασης σε κλίμακα χιλιοστομέτρου του δευτερολέπτου ή η ικανότητα να χαρτογραφήσουμε τον ανθρώπινο εγκέφαλο σε επίπεδο συνάψεων, γνώση με σημαντικές συνέπειες στις νευροεκφυλιστικές νόσους αλλά και στις αναδυόμενες τεχνολογίες οι οποίες βασίζονται στα τεχνητά νευρωνικά δίκτυα. Σημαντική είναι επίσης η συμβολή στην ανίχνευση της παρουσίας νανοσωματιδίων στο έδαφος τα οποία προέρχονται από τα προϊόντα καθημερινής χρήσης σε δόσεις που μέχρι σήμερα είναι μη ανιχνεύσιμες, με σκοπό να αξιολογήσουμε καλύτερα την εν δυνάμει τοξικότητά τους για το περιβάλλον. Ενα άλλο χαρακτηριστικό παράδειγμα είναι ότι μπορούμε πλέον να πραγματοποιήσουμε μία εικονική αυτοψία στο εσωτερικό μιας μούμιας στη σαρκοφάγο της σε επίπεδο κυττάρου».\

Με ποιους τρόπους το σύγχροτρον μπορεί να συμβάλει στην αντιμετώπιση της τρέχουσας πανδημίας;

«Η καινοτόμα τεχνολογία του ESRF-EBS ανοίγει τον δρόμο για επαναστατικές μεθόδους εξερεύνησης των μοριακών μηχανισμών σύνθετων υλικών και βιολογικών συστημάτων. Αποτελεί ένα καινούργιο εργαλείο για τον σχεδιασμό νέων τεχνολογιών και φαρμάκων. Τα εργαστήρια της φαρμακοποιίας χρησιμοποιούν σε μεγάλο βαθμό την ακτινοβολία συγχρότρου. Αναλύουν χιλιάδες μικρά μόρια ώστε να προσδιορίσουν αυτά που είναι υποσχόμενα για την ανάπτυξη φαρμάκων. Συγκριτικά με άλλα σύγχροτρα, το ESRF-EBS προσφέρει το εξαιρετικό πλεονέκτημα της ταχύτητας στην ανάλυση. Ως εκ τούτου η συγκεκριμένη εγκατάσταση αποτελεί μία πλατφόρμα ιδιαίτερης σημασίας για την αναζήτηση φαρμάκων έναντι του ιού SARS-CoV-2. Μία άλλη εφαρμογή είναι η ιατρική απεικόνιση. Είμαστε σε θέση να δημιουργούμε τρισδιάστατες εικόνες οργάνων ή ακόμη και ενός ολόκληρου ανθρώπινου σώματος. Ετσι, ερευνητές πραγματοποίησαν τρισδιάστατη απεικόνιση οργάνων σε κλίμακα μικρομέτρου ώστε να κατανοήσουν καλύτερα τη διαδικασία της μόλυνσης από τον ιό και τις επιπτώσεις της ασθένειας COVID-19 στα ανθρώπινα όργανα. Από τις εικόνες που πήραν από τους πνεύμονες προσβεβλημένων ανθρώπων, οι επιστήμονες μπόρεσαν να εξερευνήσουν κάθε πτυχή των πνευμόνων και να διαπιστώσουν, σε επίπεδο κυττάρου, ποιες περιοχές επηρεάστηκαν περισσότερο από τον ιό».