Predstavte si, že by ste mali dve ruky. Na prvý pohľad vyzerajú rovnako, no ak sa ich pokúsite presne prekryť, zistíte, že to nie je možné. Pravá a ľavá ruka sú totiž zrkadlové obrazy, ktoré sa nedajú navzájom zameniť. Tento jav sa nazýva chiralita a prekvapivo patrí medzi základné vlastnosti života na Zemi.

Práve na tomto princípe je založená jedna z najzaujímavejších nových metód detekcie biologických aerosólov – Circular Intensity Differential Scattering (CIDS). Ide o technológiu, ktorá by v budúcnosti mohla pomôcť rozlíšiť biologické častice od bežného prachu, dymu alebo smogu aj na diaľku.

Život nie je symetrický

Väčšina neživej hmoty sa skladá zo zmesí molekúl, ktoré sa vyskytujú v oboch zrkadlových formách približne rovnako. Živé organizmy sú však výnimočné. Počas evolúcie si príroda „vybrala“ len jednu orientáciu mnohých molekúl.

Napríklad aminokyseliny tvoriace proteíny sa v živých organizmoch nachádzajú takmer výlučne v ľavotočivej forme, zatiaľ čo cukry v DNA a RNA majú prevažne pravotočivú orientáciu. Táto jednosmerná orientácia biomolekúl sa označuje ako homochiralita a považuje sa za jeden z charakteristických znakov života.

Ako svetlo „vidí“ chiralitu?

Metóda CIDS využíva špeciálnu vlastnosť polarizovaného svetla. Svetlo si možno predstaviť ako elektromagnetické vlnenie. Pri kruhovo polarizovanom svetle sa elektrické pole otáča podobne ako špirála. Môže sa pritom otáčať dvoma smermi – doľava alebo doprava.

Keď takéto svetlo dopadne na biologickú časticu, jej chirálna štruktúra reaguje na ľavotočivo a pravotočivo polarizované svetlo mierne odlišne. Rozdiel je síce veľmi malý, no moderné optické systémy ho dokážu zmerať. A práve tento rozdiel predstavuje základ signálu CIDS.

Prečo je to zaujímavé pre biodetekciu?

Najmodernejšie systémy diaľkovej biodetekcie dnes využívajú najmä strednú infračervenú oblasť spektra (MIR), kde biomolekuly vytvárajú charakteristické vibračné „odtlačky prstov“ – takzvané fingerprint spektrá. V kombinácii s metódami, ako je Differential Scattering (DISC), dokážu analyzovať nielen chemické zloženie aerosólu, ale aj jeho optické vlastnosti súvisiace s veľkosťou a štruktúrou častíc.

Problémom však zostáva, že atmosféra obsahuje veľké množstvo prirodzene sa vyskytujúcich aerosólov, ako sú peľové zrná, dym, či smog. Tieto častice môžu mať podobnú veľkosť a často vykazujú aj niektoré spoločné spektrálne znaky vyplývajúce z prítomnosti biologických makromolekúl. Pri meraní na kilometrové vzdialenosti, kde je signál navyše ovplyvnený atmosférickou absorpciou a turbulenciami, preto nie je vždy jednoduché jednoznačne určiť pôvod detegovaného aerosólu. Aj keď moderné MIR systémy poskytujú výrazne vyššiu selektivitu než klasické fluorescenčné detektory, rozlíšenie medzi nebezpečným bioaerosólom a prirodzeným biologickým pozadím zostáva náročnou úlohou.

Práve tu prichádza do hry metóda CIDS. Namiesto analýzy chemického zloženia skúma vlastnosť, ktorá je pre živé organizmy ešte fundamentálnejšia – chiralitu. Kým fingerprint spektrum odpovedá na otázku „z akých molekúl je častica zložená?“, CIDS sa snaží zistiť „či má častica biologický pôvod“.

Takáto informácia môže predstavovať ďalšiu nezávislú vrstvu identifikácie. Kombinácia molekulových fingerprintov, informácie o veľkosti častíc a chirálneho podpisu by mohla v budúcnosti výrazne zvýšiť spoľahlivosť diaľkovej biodetekcie a pomôcť znížiť počet falošných poplachov spôsobených prirodzeným biologickým pozadím atmosféry.

Od laboratória k diaľkovej detekcii

Meranie chirality bolo donedávna možné najmä v laboratórnych podmienkach. Vedci využívali zložité optické systémy a meranie jednej častice mohlo trvať pomerne dlho. Situácia sa však postupne mení. Moderné polarizačné modulátory, vysokorýchlostné kamery a nové metódy spracovania signálu umožňujú realizovať merania stále rýchlejšie. V súčasnosti sa preto skúmajú možnosti integrácie metódy CIDS do lidarových systémov určených na diaľkovú detekciu aerosólov.

Významnú úlohu v tomto vývoji zohrávajú aj spoločnosti pôsobiace v oblasti stand-off detekcie. Slovenská spoločnosť SEC Technologies patrí medzi svetových lídrov vo vývoji diaľkových detekčných systémov pracujúcich v strednej infračervenej oblasti spektra. Práve skúsenosti získané pri vývoji systémov využívajúcich metódu DISC otvárajú priestor aj pre skúmanie nových prístupov, ktoré by mohli v budúcnosti rozšíriť možnosti biodetekcie o informáciu založenú na otáčaní svetla.

Pohľad do budúcnosti

Spojenie akademického výskumu s technologickým know-how firiem, ktoré už dnes posúvajú hranice detekcie na diaľku, otvára novú kapitolu v oblasti biologickej bezpečnosti. CIDS už nie je len fascinujúcim laboratórnym konceptom, ale reálnym kandidátom na kľúčovú obrannú technológiu. Ak sa podarí premeniť meranie chirality na bežnú súčasť lidarových systémov, získame nástroj, ktorý dokáže rýchlo a spoľahlivo identifikovať biologické hrozby tam, kde doterajšie metódy narážali na svoje limity. Asymetria, ktorú príroda vtlačila do živých organizmov pred miliardami rokov, by sa tak mohla stať naším silným spojencom pri ich ochrane.

Tento článok vznikol v rámci projektu „Inovatívny diaľkový detektor biologických látok pre bezpečnostné aplikácie – VULTURE“ (17I04-04-V05-00123), financovaného Európskou úniou prostredníctvom nástroja NextGenerationEU v rámci Plánu obnovy a odolnosti Slovenskej republiky.