eng
Выпуск #7-8/2024
А.И.Ахметова, И.В.Яминский
ТРЕХМЕРНАЯ ВИЗУАЛИЗАЦИЯ ВИРУСОВ, БАКТЕРИЙ И КЛЕТОК В ОБРАЗОВАТЕЛЬНОМ ПРОЦЕССЕ
ТРЕХМЕРНАЯ ВИЗУАЛИЗАЦИЯ ВИРУСОВ, БАКТЕРИЙ И КЛЕТОК В ОБРАЗОВАТЕЛЬНОМ ПРОЦЕССЕ
Просмотры: 1842
DOI: https://doi.org/10.22184/1993-8578.2024.17.7-8.476.481
Сканирующая зондовая микроскопия зарекомендовала себя как уникальный прибор для решения задач в области вирусологии, клеточной биологии, биомедицины, регенеративной медицины, материаловедения и микроэлектроники. Эти данные можно применять в научно-исследовательской деятельности; для преподавателей естественных наук в школе полезно расширять горизонт образовательной программы и показывать школьникам не только мир в оптическом микроскопе или в формулах на доске. Атомы, молекулы, белки, вирусы, бактерии и клетки можно увидеть или даже "пощупать" с помощью атомно-силового микроскопа, а это уже взгляд на нанообъекты под совершенно другим углом.
Сканирующая зондовая микроскопия зарекомендовала себя как уникальный прибор для решения задач в области вирусологии, клеточной биологии, биомедицины, регенеративной медицины, материаловедения и микроэлектроники. Эти данные можно применять в научно-исследовательской деятельности; для преподавателей естественных наук в школе полезно расширять горизонт образовательной программы и показывать школьникам не только мир в оптическом микроскопе или в формулах на доске. Атомы, молекулы, белки, вирусы, бактерии и клетки можно увидеть или даже "пощупать" с помощью атомно-силового микроскопа, а это уже взгляд на нанообъекты под совершенно другим углом.
Теги: biomechanics living matter platelets scanning capillary microscopy stem cells биомеханика живая материя сканирующая капиллярная микроскопия стволовые клетки тромбоциты
Получено: 28.10.2024 г. | Принято: 30.10.2024 г. | DOI: https://doi.org/10.22184/1993-8578.2024.17.7-8.476.481
Научная статья
ТРЕХМЕРНАЯ ВИЗУАЛИЗАЦИЯ ВИРУСОВ, БАКТЕРИЙ И КЛЕТОК В ОБРАЗОВАТЕЛЬНОМ ПРОЦЕССЕ
А.И.Ахметова1, 2, к.ф.-м.н., науч. сотр., ORCID: 0000-0002-5115-8030
И.В.Яминский1, 2, д.ф.-м.н., проф., ген. дир., ORCID: 0000-0001-8731-3947 / yaminsky@nanoscopy.ru
Аннотация. Сканирующая зондовая микроскопия зарекомендовала себя как уникальный прибор для решения задач в области вирусологии, клеточной биологии, биомедицины, регенеративной медицины, материаловедения и микроэлектроники. Эти данные можно применять в научно-исследовательской деятельности; для преподавателей естественных наук в школе полезно расширять горизонт образовательной программы и показывать школьникам не только мир в оптическом микроскопе или в формулах на доске. Атомы, молекулы, белки, вирусы, бактерии и клетки можно увидеть или даже "пощупать" с помощью атомно-силового микроскопа, а это уже взгляд на нанообъекты под совершенно другим углом.
Ключевые слова: сканирующая капиллярная микроскопия, живая материя, биомеханика, тромбоциты, стволовые клетки
Для цитирования: А.И. Ахметова, И.В. Яминский. Трехмерная визуализация вирусов, бактерий и клеток в образовательном процессе. НАНОИНДУСТРИЯ. 2024. Т. 17. № 6. С. 476–481. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2024.17.7-8.476.481.
Received: 28.10.2024 | Accepted: 30.10.2024 | DOI: https://doi.org/10.22184/1993-8578.2024.17.7-8.476.481
Original paper
THREE-DIMENSIONAL VISUALIZATION OF VIRUSES, BACTERIA AND CELLS IN THE EDUCATIONAL PROCESS
A.I.Akhmetova1,2, Researcher, Leading Specialist (ORCID: 0000-0002-5115-8030)
I.V.Yaminsky1,2, Doct. of Sci. (Physics and Mathematics), Prof., Director, ORCID: 0000-0001-8731-3947 / yaminsky@nanoscopy.ru
Abstract. Scanning probe microscopy has proven itself as a unique device for solving problems in the field of virology, cell biology, biomedicine, regenerative medicine, materials science and microelectronics. This data can be used in scientific research, for teachers of natural sciences at school it is useful to expand the horizon of the educational program and show schoolchildren not only the world in an optical microscope or in formulas on the board. Atoms, molecules, proteins, viruses, bacteria and cells can be seen or even touched with an atomic force microscope, and this is a look at nanoobjects from a completely different angle.
Keywords: scanning capillary microscopy, living matter, biomechanics, platelets, stem cells
For citation: A.I. Akhmetova, I.V. Yaminsky. Three-dimensional visualization of viruses, bacteria and cells in the educational process. NANOINDUSTRY. 2024. Vol. 17. No. 7–8. PP. 476–481. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2024.17.7-8.476.481.
ВВЕДЕНИЕ
Сканирующий зондовый микроскоп (СЗМ) – многозадачный прибор для исследования топографии и физико-химических свойств образцов с нанометровым разрешением. Благодаря трехмерной детализации в СЗМ возможно изучать белки, вирусы, бактерии, клетки с удивительной точностью и достоверностью, которые труднодостижимы в других методах исследования. Благодаря использованию ПО "ФемтоСкан Онлайн" обрабатывать эти данные способны даже школьники, что позволяет значительно разнообразить образовательный процесс в школе на занятиях по естественным наукам [1].
ВИРУСЫ
Например, с помощью атомно-силовой микроскопии (АСМ) можно вполне безопасно исследовать вирус клещевого энцефалита. По данным АСМ, вирус расположился на поверхности графита плотным слоем, местами заметно наличие нескольких слоев частиц, но в размере кадра вирус вполне равномерно покрыл поверхность графита (рис.1).
Адсорбция вирусных частиц на подложках графита и слюды была оценена с помощью контактной АСМ. На поверхности слюды частицы не агрегируют и не слипаются. Вирусные частицы хорошо закрепляются на поверхности графита, даже после того как образец был промыт в 5 мл дистиллированной воды, частицы не были смыты с поверхности (рис.2). Вероятно, они частично удерживаются поверхностью графита и остаются на поверхности.
Также было проведено сканирование поверхности монослоя вирусных частиц с разным приложенным значением силы: 10, 20 и 15 нН (рис.3). Перепад высот между значением силы в 20 и 10 нН составил почти 50 нм, что сопоставимо с диаметром частицы. Но при этом на изображении сами частицы не меняют форму, не появляются дополнительные артефакты.
По итогам проведенных измерений можно сказать, что частицы вируса клещевого энцефалита даже после инактивации остаются достаточно твердыми, при разной приложенной силе не деформируются, хорошо фиксируются на поверхности графита, не слипаются в плотные агломерации. При адсорбции на графит и слюду частицы ложатся равномерно, не агрегируют, при большой концентрации вирусные частицы стремятся расположиться слоями.
БАКТЕРИИ
Бактериальные клетки – излюбленный объект исследования в СЗМ. Хорошо подготовленный образец позволяет детально визуализировать клеточную стенку, а также оценить влияние биоцидных веществ на характер адсорбции на подложки. Например, при исследовании образца Pseudomonas aeruginosa можно оценить высоту бактерии, склонность собираться группами на подложке или оценить биоцидное действие дезинфектанта на колонию клеток. В данном случае в качестве такого вещества выступил олигогексаметиленгуанидин (ОГМГ), полимерный биоцид широкого спектра действия, подавляющий развитие различных бактерий и грибков, а также препятствующий образованию биопленок [2]. Pseudomonas aeruginosa – это грамотрицательные, прямые палочки размером 1–3 мкм, не образующие спор. Форма бактерий вытянутая, в образце преимущественно округлая. Бактерии в контрольном образце представлены в основном колониями или плотными небольшими группами (рис.4).
После воздействия на колонию бактерий дезинфектанта на кадре встречаются в основном одиночные объекты, но при этом структурных повреждений клеточных стенок нет (рис.5).
КЛЕТКИ КРОВИ
С помощью атомно-силовой микроскопии можно исследовать физические свойства и морфологию эритроцитов.
Характерный профиль поверхности эритроцита представлен на рис.6. Это форма двояковогнутого диска. По сечению можно даже померить глубину впадины эритроцита, а также визуально оценить морфологию клеток для данного кадра. Мы видим в поле зрения только классическую форму эритроцитов: нет ни сфероцитов, ни эхиноцитов, ни акантоцитов.
По данным атомно-силовой микроскопии можно измерить параметры каждой клетки: среднюю высоту, максимальную высоту, средний диаметр, среднюю и среднеквадратичную шероховатость области клетки, периметр и объем [3-5].
Все эти данные могут помогать как в образовательном процессе при исследовании клеток крови, так и быть полезными для медицинских целей в диагностике.
ВЫВОДЫ
Сканирующая зондовая микроскопия дает множество новых преимуществ в исследовании биологических объектов: вирусов, бактерий, клеток. С помощью данных, полученных на атомно-силовом микроскопе, можно решать различные задачи, полезные для освоения будущей профессии экспериментатора. Трехмерная визуализация позволяет лучше понимать строение объектов, их поведение на подложке, характер влияния биоцидных веществ на клетки и др. Сканирующая зондовая микроскопия может использоваться как дополнительный инструмент в образовательном процессе и как важный индикатор в биомедицинских приложениях. В рамках курса по изучению сканирующей зондовой микроскопии на физическом факультете МГУ имени М.В.Ломоносова предусмотрен широкий набор оборудования, обучающих программ и презентаций для экспериментального изучения наноскопии.
БЛАГОДАРНОСТИ
Работа выполнена по госзаданию при финансовой поддержке физического факультета МГУ имени М.В.Ломоносова (Регистрационная тема 122091200048-7). ПО "ФемтоСкан Онлайн" предоставлено ООО НПП "Центр перспективных технологий", www.nanoscopy.ru. Изображение стволовых клеток получено Т. Советниковым.
ИНФОРМАЦИЯ О РЕЦЕНЗИРОВАНИИ
Редакция благодарит анонимного рецензента (рецензентов) за их вклад в рецензирование этой работы, а также за размещение статей на сайте журнала и передачу их в электронном виде в НЭБ eLIBRARY.RU.
Декларация о конфликте интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликтов интересов или личных отношений, которые могли бы повлиять на работу, представленную в данной статье.
ЛИТЕРАТУРА / REFERENCES
Akhmetova A.I., Sovetnikov T.O., Obolenskaya L.N., Yaminsky I.V. FemtoScan Online in Scientific and Educational Activities: Count, Measure, and Visualize. NANOINDUSTRY. 2024. Vol. 17. No. 6. PP. 392–398. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2024.17.6.392.398
Vointseva I.I., Gembitskiy P.A. Polyguanidines – disinfectants and multifunctional additives in composite materials. Moscow, LKM-press, 2009. P. 303.
Sovetnikov T.O., Akhmetova A.I., Gukasov V.M., Evtushenko G.S., Rybakov Y.L., Yaminskii I.V. Scanning probe microscopy in assessing blood cells roughness. Bio-Medical Engineering. 2023. https://doi.org/10.1007/s10527-023-10253-3
Trukhova A.A., Akhmetova A.I., Yaminsky I.V. Visualization of erythrocytes by atomic force microscopy. NANOINDUSTRY. 2023. Vol. 16. No. 3–4. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2023.16.3-4.180.184
Sinitsyna O.V., Akhmetova A.I., Yaminsky I.V. Atomic force microscopy of erythrocytes: new diagnostic possibilities. Medicine and High Technologies. 2022. Vol. 1. PP. 9–12. https://doi.org/
10.34219/2306-3645-2022-12-1-9-12
Научная статья
ТРЕХМЕРНАЯ ВИЗУАЛИЗАЦИЯ ВИРУСОВ, БАКТЕРИЙ И КЛЕТОК В ОБРАЗОВАТЕЛЬНОМ ПРОЦЕССЕ
А.И.Ахметова1, 2, к.ф.-м.н., науч. сотр., ORCID: 0000-0002-5115-8030
И.В.Яминский1, 2, д.ф.-м.н., проф., ген. дир., ORCID: 0000-0001-8731-3947 / yaminsky@nanoscopy.ru
Аннотация. Сканирующая зондовая микроскопия зарекомендовала себя как уникальный прибор для решения задач в области вирусологии, клеточной биологии, биомедицины, регенеративной медицины, материаловедения и микроэлектроники. Эти данные можно применять в научно-исследовательской деятельности; для преподавателей естественных наук в школе полезно расширять горизонт образовательной программы и показывать школьникам не только мир в оптическом микроскопе или в формулах на доске. Атомы, молекулы, белки, вирусы, бактерии и клетки можно увидеть или даже "пощупать" с помощью атомно-силового микроскопа, а это уже взгляд на нанообъекты под совершенно другим углом.
Ключевые слова: сканирующая капиллярная микроскопия, живая материя, биомеханика, тромбоциты, стволовые клетки
Для цитирования: А.И. Ахметова, И.В. Яминский. Трехмерная визуализация вирусов, бактерий и клеток в образовательном процессе. НАНОИНДУСТРИЯ. 2024. Т. 17. № 6. С. 476–481. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2024.17.7-8.476.481.
Received: 28.10.2024 | Accepted: 30.10.2024 | DOI: https://doi.org/10.22184/1993-8578.2024.17.7-8.476.481
Original paper
THREE-DIMENSIONAL VISUALIZATION OF VIRUSES, BACTERIA AND CELLS IN THE EDUCATIONAL PROCESS
A.I.Akhmetova1,2, Researcher, Leading Specialist (ORCID: 0000-0002-5115-8030)
I.V.Yaminsky1,2, Doct. of Sci. (Physics and Mathematics), Prof., Director, ORCID: 0000-0001-8731-3947 / yaminsky@nanoscopy.ru
Abstract. Scanning probe microscopy has proven itself as a unique device for solving problems in the field of virology, cell biology, biomedicine, regenerative medicine, materials science and microelectronics. This data can be used in scientific research, for teachers of natural sciences at school it is useful to expand the horizon of the educational program and show schoolchildren not only the world in an optical microscope or in formulas on the board. Atoms, molecules, proteins, viruses, bacteria and cells can be seen or even touched with an atomic force microscope, and this is a look at nanoobjects from a completely different angle.
Keywords: scanning capillary microscopy, living matter, biomechanics, platelets, stem cells
For citation: A.I. Akhmetova, I.V. Yaminsky. Three-dimensional visualization of viruses, bacteria and cells in the educational process. NANOINDUSTRY. 2024. Vol. 17. No. 7–8. PP. 476–481. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2024.17.7-8.476.481.
ВВЕДЕНИЕ
Сканирующий зондовый микроскоп (СЗМ) – многозадачный прибор для исследования топографии и физико-химических свойств образцов с нанометровым разрешением. Благодаря трехмерной детализации в СЗМ возможно изучать белки, вирусы, бактерии, клетки с удивительной точностью и достоверностью, которые труднодостижимы в других методах исследования. Благодаря использованию ПО "ФемтоСкан Онлайн" обрабатывать эти данные способны даже школьники, что позволяет значительно разнообразить образовательный процесс в школе на занятиях по естественным наукам [1].
ВИРУСЫ
Например, с помощью атомно-силовой микроскопии (АСМ) можно вполне безопасно исследовать вирус клещевого энцефалита. По данным АСМ, вирус расположился на поверхности графита плотным слоем, местами заметно наличие нескольких слоев частиц, но в размере кадра вирус вполне равномерно покрыл поверхность графита (рис.1).
Адсорбция вирусных частиц на подложках графита и слюды была оценена с помощью контактной АСМ. На поверхности слюды частицы не агрегируют и не слипаются. Вирусные частицы хорошо закрепляются на поверхности графита, даже после того как образец был промыт в 5 мл дистиллированной воды, частицы не были смыты с поверхности (рис.2). Вероятно, они частично удерживаются поверхностью графита и остаются на поверхности.
Также было проведено сканирование поверхности монослоя вирусных частиц с разным приложенным значением силы: 10, 20 и 15 нН (рис.3). Перепад высот между значением силы в 20 и 10 нН составил почти 50 нм, что сопоставимо с диаметром частицы. Но при этом на изображении сами частицы не меняют форму, не появляются дополнительные артефакты.
По итогам проведенных измерений можно сказать, что частицы вируса клещевого энцефалита даже после инактивации остаются достаточно твердыми, при разной приложенной силе не деформируются, хорошо фиксируются на поверхности графита, не слипаются в плотные агломерации. При адсорбции на графит и слюду частицы ложатся равномерно, не агрегируют, при большой концентрации вирусные частицы стремятся расположиться слоями.
БАКТЕРИИ
Бактериальные клетки – излюбленный объект исследования в СЗМ. Хорошо подготовленный образец позволяет детально визуализировать клеточную стенку, а также оценить влияние биоцидных веществ на характер адсорбции на подложки. Например, при исследовании образца Pseudomonas aeruginosa можно оценить высоту бактерии, склонность собираться группами на подложке или оценить биоцидное действие дезинфектанта на колонию клеток. В данном случае в качестве такого вещества выступил олигогексаметиленгуанидин (ОГМГ), полимерный биоцид широкого спектра действия, подавляющий развитие различных бактерий и грибков, а также препятствующий образованию биопленок [2]. Pseudomonas aeruginosa – это грамотрицательные, прямые палочки размером 1–3 мкм, не образующие спор. Форма бактерий вытянутая, в образце преимущественно округлая. Бактерии в контрольном образце представлены в основном колониями или плотными небольшими группами (рис.4).
После воздействия на колонию бактерий дезинфектанта на кадре встречаются в основном одиночные объекты, но при этом структурных повреждений клеточных стенок нет (рис.5).
КЛЕТКИ КРОВИ
С помощью атомно-силовой микроскопии можно исследовать физические свойства и морфологию эритроцитов.
Характерный профиль поверхности эритроцита представлен на рис.6. Это форма двояковогнутого диска. По сечению можно даже померить глубину впадины эритроцита, а также визуально оценить морфологию клеток для данного кадра. Мы видим в поле зрения только классическую форму эритроцитов: нет ни сфероцитов, ни эхиноцитов, ни акантоцитов.
По данным атомно-силовой микроскопии можно измерить параметры каждой клетки: среднюю высоту, максимальную высоту, средний диаметр, среднюю и среднеквадратичную шероховатость области клетки, периметр и объем [3-5].
Все эти данные могут помогать как в образовательном процессе при исследовании клеток крови, так и быть полезными для медицинских целей в диагностике.
ВЫВОДЫ
Сканирующая зондовая микроскопия дает множество новых преимуществ в исследовании биологических объектов: вирусов, бактерий, клеток. С помощью данных, полученных на атомно-силовом микроскопе, можно решать различные задачи, полезные для освоения будущей профессии экспериментатора. Трехмерная визуализация позволяет лучше понимать строение объектов, их поведение на подложке, характер влияния биоцидных веществ на клетки и др. Сканирующая зондовая микроскопия может использоваться как дополнительный инструмент в образовательном процессе и как важный индикатор в биомедицинских приложениях. В рамках курса по изучению сканирующей зондовой микроскопии на физическом факультете МГУ имени М.В.Ломоносова предусмотрен широкий набор оборудования, обучающих программ и презентаций для экспериментального изучения наноскопии.
БЛАГОДАРНОСТИ
Работа выполнена по госзаданию при финансовой поддержке физического факультета МГУ имени М.В.Ломоносова (Регистрационная тема 122091200048-7). ПО "ФемтоСкан Онлайн" предоставлено ООО НПП "Центр перспективных технологий", www.nanoscopy.ru. Изображение стволовых клеток получено Т. Советниковым.
ИНФОРМАЦИЯ О РЕЦЕНЗИРОВАНИИ
Редакция благодарит анонимного рецензента (рецензентов) за их вклад в рецензирование этой работы, а также за размещение статей на сайте журнала и передачу их в электронном виде в НЭБ eLIBRARY.RU.
Декларация о конфликте интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликтов интересов или личных отношений, которые могли бы повлиять на работу, представленную в данной статье.
ЛИТЕРАТУРА / REFERENCES
Akhmetova A.I., Sovetnikov T.O., Obolenskaya L.N., Yaminsky I.V. FemtoScan Online in Scientific and Educational Activities: Count, Measure, and Visualize. NANOINDUSTRY. 2024. Vol. 17. No. 6. PP. 392–398. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2024.17.6.392.398
Vointseva I.I., Gembitskiy P.A. Polyguanidines – disinfectants and multifunctional additives in composite materials. Moscow, LKM-press, 2009. P. 303.
Sovetnikov T.O., Akhmetova A.I., Gukasov V.M., Evtushenko G.S., Rybakov Y.L., Yaminskii I.V. Scanning probe microscopy in assessing blood cells roughness. Bio-Medical Engineering. 2023. https://doi.org/10.1007/s10527-023-10253-3
Trukhova A.A., Akhmetova A.I., Yaminsky I.V. Visualization of erythrocytes by atomic force microscopy. NANOINDUSTRY. 2023. Vol. 16. No. 3–4. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2023.16.3-4.180.184
Sinitsyna O.V., Akhmetova A.I., Yaminsky I.V. Atomic force microscopy of erythrocytes: new diagnostic possibilities. Medicine and High Technologies. 2022. Vol. 1. PP. 9–12. https://doi.org/
10.34219/2306-3645-2022-12-1-9-12
Отзывы читателей
