Атомно-силовая микроскопия

Тщательное и аккуратное применение сканирующей зондовой микроскопии позволяет получить полезную информацию об объектах живой природы нанометрового размера. Обаяние зондовой микроскопии лежит не только в информативности и наглядности метода, но и в возможности играть роль не только пассивного наблюдателя, но и активного творца, работающего на уровне отдельных атомов и молекул.

Наблюдение основной биологической молекулы - ДНК - в зондовом микроскопе хотя и стало тривиальной работой но, тем не менее, требует определенных навыков и умения. При этом следует учитывать, что наблюдаемые размеры и конформация молекулы зависят от способа нанесения и выбранной подложки. Так, изображения ДНК на слюде дают в атомно-силовой микроскопии заниженную высоту по сравнению с наблюдениями на подложке графита. Кроме того, закрепление ДНК на модифицированной поверхности графита позволяет получать устойчивые изображения и в туннельном микроскопе. Атомно-силовая микроскопия ДНК в жидкости позволила определить характер конформационных переходов этой молекулы в компактную торроидальную форму.

Наблюдения однонитевой РНК было проведено как на поверхности слюды, так и графита. Надежные изображения РНК были получены при диссоциации вируса табачной мозаики - постепенном высвобождении РНК из белковой оболочки. Изучение морфологии и стабильности вирусов является важным вопросом вирусологии при исследовании молекулярных механизмов вирусных инфекций.

Изучение основных механизмов роста белковых кристаллов было проведено совместно с научной группой профессора Л.Н. Рашковича (физический факультет МГУ) и было направлено как на развитие технологии получения совершенных кристаллов белка, так и на изучение основных закономерностей их роста. Атомно-силовая микроскопия высокого разрешения поверхности кристалла лизоцима позволила определить основные кинетические параметры: скорость движения ступеней и изломов на ступенях, вероятность присоединения и отсоединения отдельных белковых молекул, а также статистические параметры шероховатости граней и ступеней. Было обнаружено новое явление для белковых кристаллов - реконструкция поверхности грани (010) лизоцима ромбической модификации, что приводит к удвоению размеров элементарной ячейки.

Изображение бактериальной клетки Helicobacter pylori.

Атомно-силовая микроскопия является информативным методом для описательной микробиологии, в частности, позволяет составлять атласы трехмерных изображений бактерий, проводить количественный анализ их морфологических и механических свойств. На рис.1 представлено изображение бактерий Helicobacter pylori, полученное на атомно-силовом микроскопе. Так, было обнаружено существенное различие в структуре поверхности родительской Escherichia coli и ее трансдуктантного мутанта, наследовавшего rfb-a3,4 ген Shigella flexneri, который ответственен за синтез О-специфических боковых цепей липополисахаридов. Развитие методов сканирующей зондовой микроскопии представляет особый интерес для задач бионаноскопии и биомедицины. Возможность удаленного управления, синхронная передача данных участникам исследования, динамическое переключение прав на управление микроскопом, встроенный протокол общения оказывают большую помощь при совместном проведении длительных экспериментов протяженностью в несколько дней или даже недель. Сканирующий зондовый микроскоп успешно применяется для экспериментального обучения, построения практических занятий.

В последнее время техника зондовой микроскопии стала родоначальником нового направления - мирокантилеверных сенсоров с рекордной чувствительностью. С помощью таких сенсоров достигнут абсолютный рекорд по измерению массы на уровне 10-21 г. Изменение массы регистрируется по сдвигу резонансной частоты кантилевера. Это открывает новые возможности по созданию химических и биологических сенсоров, работающих в газовых средах. Нами разработан метод калибровки кантилеверов с помощью эталонных масс - калиброванных полистирольных шариков заданной массы. Использование кантилеверов с известными параметрами позволило определить адсорбционные свойства микро - и наночастиц сорбентов. Для жидких сред наиболее оптимальным методом измерений является регистрация статического изгиба кантилевера (рис.2). С этой целью на одной из сторон кантилевера формируется рецепторный слой, избирательно взаимодействующий с молекулами определенного вида. В простейшем случае для молекул тиолов материалом такой поверхностью может служит золото, а для органосиланов - кремний. При формировании монослойной пленки адсорбата латеральные силы - межмолекулярное взаимодействие, направленное вдоль рецепторной поверхности - приводит к изгибу кантилевера. Зная плотность посадки молекул, не трудно определить силы парного взаимодействия между молекулами.

Изображение кантилевера - чувствительного элемента биосенсора. На верхней поверхности кантилевера сформирован рецепторный слой антител. Сорбция антигенов на монослойной пленке антител приводит к изгибу кантилевера за счет дополнительных латеральных сил, обусловленных межмолекулярным взаимодействием.

6. Список литературы