eng
Выпуск #3/2017
И.Яминский, А.Ахметова, Г.Мешков
Физические методы обнаружения вирусов и бактерий c использованием инструментов сканирующей зондовой микроскопии
Физические методы обнаружения вирусов и бактерий c использованием инструментов сканирующей зондовой микроскопии
Просмотры: 4082
Биологическая сканирующая зондовая микроскопия прошла путь от наблюдения биомакромолекул и биологических микрообъектов к изучению живой природы с высоким пространственным и временным разрешением. Эта область бионаноскопии делает уверенные шаги в медицинской диагностике, создании биомедицинских препаратов и инструментов. Свой вклад в развитие биомедицинской СЗМ вносит "Центр перспективных технологий".
УДК 543.07, ВАК 05.11.13, DOI: 10.22184/1993-8578.2017.73.3.56.59
УДК 543.07, ВАК 05.11.13, DOI: 10.22184/1993-8578.2017.73.3.56.59
Теги: atomic force microscope bacteria biochip biosensor scanning capillary microscope viruses атомно-силовой микроскоп бактерии биосенсор биочип вирусы сканирующий капиллярный микроскоп
В начале этого года в "Центре перспективных технологий" создана лаборатория физических методов биомедицины, которая решает следующие основные задачи:
• сканирующая зондовая микроскопия бактериальных клеток;
• разработка методов обнаружения вирусов в воздушных и водных средах;
• дальнейшее совершенствование биомедицинской сканирующей зондовой микроскопии.
Лаборатория работает в рамках проекта фонда "Сколково" "Сенсорные технологии молекулярной диагностики для персонифицированной медицины". Современная сканирующая зондовая микроскопия стала эффективным инструментом для проведения экспериментальных работ в биологии. Содержательный исторический обзор достижений биологической сканирующей зондовой микроскопии приведен в публикации Ив Дюфрена и соавторов [1]. Среди успешно развивающихся направлений следует отметить сканирующую капиллярную микроскопию [2, 3] и высокоскоростную сканирующую зондовую микроскопию [4]. Капиллярная микроскопия минимизирует силовое воздействие на наблюдаемый объект, что особенно важно при наблюдении клеточных структур с пониженной механической жесткостью – клеток эпителия и эндотелия, нейронов, эритроцитов, лейкоцитов, нейтрофилов и пр. Высокоскоростная сканирующая зондовая микроскопия позволяет наблюдать на молекулярном уровне в реальном времени процессы, происходящие в живых биологических системах [5].
Лаборатория физических методов биомедицины оборудована многофункциональными сканирующими зондовыми микроскопами "ФемтоСкан" [6], высокоскоростным сканирующим зондовым микроскопом "ФемтоСкан Х" [7], сканирующим капиллярным микроскопом на базе оптического микроскопа Nikon Ti-U. Для управления микроскопами и обработки данных используется программное обеспечение "ФемтоСкан Онлайн" [8] (см. рисунок).
На основе инструментария сканирующей зондовой микроскопии разработаны биосенсорные устройства для избирательного обнаружения вируса гриппа А с потенциальной чувствительностью на уровне единичных патогенов. Этому направлению посвящены статьи, опубликованные как в журнале "НАНОИНДУСТРИЯ" [9, 10], так и в других ведущих изданиях [11, 12]. Для обнаружения вирусных частиц в атомно-силовом микроскопе создана оригинальная конструкция проточной ячейки. В отличие от большинства других коммерчески доступных решений, эта ячейка полностью герметична, причем ее можно устанавливать на микроскоп и снимать для проведения измерений на другом оборудовании, не нарушая герметичности. Конструкция ячейки защищена патентами на изобретение [13, 14]. В атомно-силовой микроскоп в режиме реального времени можно наблюдать адсорбцию вируса на поверхности биочипа (пластинки с сенсорными слоями на основе полимеров с сиаловыми кислотами), помещенного в проточную ячейку.
Сканирующий зондовый микроскоп является эффективным инструментом для изучения морфологии и свойств бактериальных клеток. При наблюдении клеток на воздухе атомно-силовая микроскопия позволяет детально изучить морфологические особенности их поверхности.
Для обеспечения функционирования научно-исследовательской лаборатории физических методов биомедицины в "Центре перспективных технологий" имеется собственная производственная база в составе обрабатывающего фрезерного центра Hurco VX M1, ленточнопильного станка, а также сверлильных станков с наборами слесарного, токарного и фрезерного инструмента. Наличие производственной инфраструктуры является существенным подспорьем в эффективном воплощении научных идей лаборатории в готовый продукт.
Созданный компанией при поддержке правительства Москвы, Центр молодежного инновационного творчества "Нанотехнологии" помогает решать несколько задач. Во-первых, он привлекает к инновационному творчеству молодых ребят, которые впоследствии могут стать успешными сотрудниками компании. Во-вторых, научная лаборатория может размещать заказы на моделирование и прототипирование в ЦМИТ, который располагает компьютерным классом для 3D-дизайна и программирования, механической мастерской с токарным станком с ЧПУ, тремя фрезерными станками АТС NANO, лазерным гравером SharpLase Pro, 3D-сканерами Sense, 3D-принтерами Picaso, радиоэлектронным оборудованием. В рамках инновационной деятельности мы выстраиваем цепочку "обучение – разработка – производство", которая должна существенно ускорить как генерацию новых идей, так и их воплощение в практику в виде инновационной продукции.
Авторы выражают искреннюю благодарность Правительству Москвы, Департаменту науки, промышленной политики и предпринимательства г. Москвы, Минэкономразвития России (договор №8/3-63ин-16 от 22.08.16), Фонду содействия инновациям (проект № ГЦМИТ1/16315) и РФФИ (проект 16-29-06290) за финансовую поддержку проектов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Dufrкne Y.F., Ando T., Garcia R., Alsteens D., Martinez-Martin D., Engel A., Gerber Ch., Mьller D.J. Imaging modes of atomic force microscopy for application in molecular and cell biology // Nature Nanotechnology. 2017. V. 12. С. 295–307.
2. Novak P., Li C., Shevchuk A.I., Stepanyan R., Caldwell M., Hughes S., Smart T.G., Gorelik J., Ostanin V.P., Lab M.J., et al. Nanoscale live-cell imaging using hopping probe ion conductance microscopy // Nat. Methods. 2009. № 6. C. 279–281.
3. Яминский И. Сканирующая капиллярная микроскопия // НАНОИНДУСТРИЯ. 2016. № 1 (63). C. 76–79.
4. Ando T., Uchihashi T., Fukuma T. High-speed atomic force microscopy for nano-visualization of dynamic biomolecular processes // Prog. Surf. Sci. 2008. 83. 337–437.
5. Kodera N., Yamamoto D., Ishikawa R., Ando T. Video imaging of walking myosin V by high-speed atomic force microscopy // Nature. 2010. 468. 72–76.
6. Яминский И. Сканирующий зондовый микроскоп ФемтоСкан: новый инструмент для медицины // НАНОИНДУСТРИЯ. 2013. № 5 (43). C. 44–46.
7. Савинов С., Яминский И. От Скана до ФемтоСкана: итоги 25 лет // НАНОИНДУСТРИЯ. 2013. № 1 (39). С. 54–59.
8. Яминский И., Филонов А., Синицына О., Мешков Г. Программное обеспечение "ФемтоСкан Онлайн" // НАНОИНДУСТРИЯ. 2016. № 2 (64). С. 42–46.
9. Ахметова А., Гутник Н., Мешков Г., Назаров И., Синицына О., Яминский И. Биосенсор для обнаружения вирусов и бактерий в жидкостях // НАНОИНДУСТРИЯ. 2016. № 8 (70). С. 68–73.
10. Киселев Г., Горелкин П., Ерофеев А., Колесов Д., Яминский И. Детекция вирусов с помощью пьезоэлектрических кантилеверов // НАНОИНДУСТРИЯ. 2015. № 4 (58). С. 62–67.
11. Gorelkin P.V., Erofeev A.S., Kiselev G.A., Kolesov D.V., Dubrovin E.V., Yaminsky I.V. Synthetic sialylglycopolymer receptor for virus detection using cantilever-based sensors // Analyst. 2015. 140. 6131–6137.
12. Gorelkin P.V., Erofeev A.S., Kiselev G.A., Kolesov D.V., Gambaryan A.S., Yaminsky I.V., Lee J.S., Lee C., Kim G.S., Song K.H., Han J., Choi E.H., Kwak K., Borodina I. Cantilever sensors based on sialylglycopolymer virus receptor with different readout systems // 2015 IEEE SENSORS – Proceedings, art. no. 7370321.
13. Соснин В.С., Ахметова А.И., Яминский И.В., Яминский Д.И., Мешков Г.Б., Оленин А.В. Проточная жидкостная ячейка для сканирующей зондовой микроскопии // Заявка № 2016146597 от 29.11.2016.
14. Соснин В.С., Ахметова А.И., Яминский И.В., Яминский Д.И., Мешков Г.Б., Оленин А.В. Проточная жидкостная ячейка для сканирующей зондовой микроскопии // Заявка № 2016146599 от 29.11.2016.
• сканирующая зондовая микроскопия бактериальных клеток;
• разработка методов обнаружения вирусов в воздушных и водных средах;
• дальнейшее совершенствование биомедицинской сканирующей зондовой микроскопии.
Лаборатория работает в рамках проекта фонда "Сколково" "Сенсорные технологии молекулярной диагностики для персонифицированной медицины". Современная сканирующая зондовая микроскопия стала эффективным инструментом для проведения экспериментальных работ в биологии. Содержательный исторический обзор достижений биологической сканирующей зондовой микроскопии приведен в публикации Ив Дюфрена и соавторов [1]. Среди успешно развивающихся направлений следует отметить сканирующую капиллярную микроскопию [2, 3] и высокоскоростную сканирующую зондовую микроскопию [4]. Капиллярная микроскопия минимизирует силовое воздействие на наблюдаемый объект, что особенно важно при наблюдении клеточных структур с пониженной механической жесткостью – клеток эпителия и эндотелия, нейронов, эритроцитов, лейкоцитов, нейтрофилов и пр. Высокоскоростная сканирующая зондовая микроскопия позволяет наблюдать на молекулярном уровне в реальном времени процессы, происходящие в живых биологических системах [5].
Лаборатория физических методов биомедицины оборудована многофункциональными сканирующими зондовыми микроскопами "ФемтоСкан" [6], высокоскоростным сканирующим зондовым микроскопом "ФемтоСкан Х" [7], сканирующим капиллярным микроскопом на базе оптического микроскопа Nikon Ti-U. Для управления микроскопами и обработки данных используется программное обеспечение "ФемтоСкан Онлайн" [8] (см. рисунок).
На основе инструментария сканирующей зондовой микроскопии разработаны биосенсорные устройства для избирательного обнаружения вируса гриппа А с потенциальной чувствительностью на уровне единичных патогенов. Этому направлению посвящены статьи, опубликованные как в журнале "НАНОИНДУСТРИЯ" [9, 10], так и в других ведущих изданиях [11, 12]. Для обнаружения вирусных частиц в атомно-силовом микроскопе создана оригинальная конструкция проточной ячейки. В отличие от большинства других коммерчески доступных решений, эта ячейка полностью герметична, причем ее можно устанавливать на микроскоп и снимать для проведения измерений на другом оборудовании, не нарушая герметичности. Конструкция ячейки защищена патентами на изобретение [13, 14]. В атомно-силовой микроскоп в режиме реального времени можно наблюдать адсорбцию вируса на поверхности биочипа (пластинки с сенсорными слоями на основе полимеров с сиаловыми кислотами), помещенного в проточную ячейку.
Сканирующий зондовый микроскоп является эффективным инструментом для изучения морфологии и свойств бактериальных клеток. При наблюдении клеток на воздухе атомно-силовая микроскопия позволяет детально изучить морфологические особенности их поверхности.
Для обеспечения функционирования научно-исследовательской лаборатории физических методов биомедицины в "Центре перспективных технологий" имеется собственная производственная база в составе обрабатывающего фрезерного центра Hurco VX M1, ленточнопильного станка, а также сверлильных станков с наборами слесарного, токарного и фрезерного инструмента. Наличие производственной инфраструктуры является существенным подспорьем в эффективном воплощении научных идей лаборатории в готовый продукт.
Созданный компанией при поддержке правительства Москвы, Центр молодежного инновационного творчества "Нанотехнологии" помогает решать несколько задач. Во-первых, он привлекает к инновационному творчеству молодых ребят, которые впоследствии могут стать успешными сотрудниками компании. Во-вторых, научная лаборатория может размещать заказы на моделирование и прототипирование в ЦМИТ, который располагает компьютерным классом для 3D-дизайна и программирования, механической мастерской с токарным станком с ЧПУ, тремя фрезерными станками АТС NANO, лазерным гравером SharpLase Pro, 3D-сканерами Sense, 3D-принтерами Picaso, радиоэлектронным оборудованием. В рамках инновационной деятельности мы выстраиваем цепочку "обучение – разработка – производство", которая должна существенно ускорить как генерацию новых идей, так и их воплощение в практику в виде инновационной продукции.
Авторы выражают искреннюю благодарность Правительству Москвы, Департаменту науки, промышленной политики и предпринимательства г. Москвы, Минэкономразвития России (договор №8/3-63ин-16 от 22.08.16), Фонду содействия инновациям (проект № ГЦМИТ1/16315) и РФФИ (проект 16-29-06290) за финансовую поддержку проектов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Dufrкne Y.F., Ando T., Garcia R., Alsteens D., Martinez-Martin D., Engel A., Gerber Ch., Mьller D.J. Imaging modes of atomic force microscopy for application in molecular and cell biology // Nature Nanotechnology. 2017. V. 12. С. 295–307.
2. Novak P., Li C., Shevchuk A.I., Stepanyan R., Caldwell M., Hughes S., Smart T.G., Gorelik J., Ostanin V.P., Lab M.J., et al. Nanoscale live-cell imaging using hopping probe ion conductance microscopy // Nat. Methods. 2009. № 6. C. 279–281.
3. Яминский И. Сканирующая капиллярная микроскопия // НАНОИНДУСТРИЯ. 2016. № 1 (63). C. 76–79.
4. Ando T., Uchihashi T., Fukuma T. High-speed atomic force microscopy for nano-visualization of dynamic biomolecular processes // Prog. Surf. Sci. 2008. 83. 337–437.
5. Kodera N., Yamamoto D., Ishikawa R., Ando T. Video imaging of walking myosin V by high-speed atomic force microscopy // Nature. 2010. 468. 72–76.
6. Яминский И. Сканирующий зондовый микроскоп ФемтоСкан: новый инструмент для медицины // НАНОИНДУСТРИЯ. 2013. № 5 (43). C. 44–46.
7. Савинов С., Яминский И. От Скана до ФемтоСкана: итоги 25 лет // НАНОИНДУСТРИЯ. 2013. № 1 (39). С. 54–59.
8. Яминский И., Филонов А., Синицына О., Мешков Г. Программное обеспечение "ФемтоСкан Онлайн" // НАНОИНДУСТРИЯ. 2016. № 2 (64). С. 42–46.
9. Ахметова А., Гутник Н., Мешков Г., Назаров И., Синицына О., Яминский И. Биосенсор для обнаружения вирусов и бактерий в жидкостях // НАНОИНДУСТРИЯ. 2016. № 8 (70). С. 68–73.
10. Киселев Г., Горелкин П., Ерофеев А., Колесов Д., Яминский И. Детекция вирусов с помощью пьезоэлектрических кантилеверов // НАНОИНДУСТРИЯ. 2015. № 4 (58). С. 62–67.
11. Gorelkin P.V., Erofeev A.S., Kiselev G.A., Kolesov D.V., Dubrovin E.V., Yaminsky I.V. Synthetic sialylglycopolymer receptor for virus detection using cantilever-based sensors // Analyst. 2015. 140. 6131–6137.
12. Gorelkin P.V., Erofeev A.S., Kiselev G.A., Kolesov D.V., Gambaryan A.S., Yaminsky I.V., Lee J.S., Lee C., Kim G.S., Song K.H., Han J., Choi E.H., Kwak K., Borodina I. Cantilever sensors based on sialylglycopolymer virus receptor with different readout systems // 2015 IEEE SENSORS – Proceedings, art. no. 7370321.
13. Соснин В.С., Ахметова А.И., Яминский И.В., Яминский Д.И., Мешков Г.Б., Оленин А.В. Проточная жидкостная ячейка для сканирующей зондовой микроскопии // Заявка № 2016146597 от 29.11.2016.
14. Соснин В.С., Ахметова А.И., Яминский И.В., Яминский Д.И., Мешков Г.Б., Оленин А.В. Проточная жидкостная ячейка для сканирующей зондовой микроскопии // Заявка № 2016146599 от 29.11.2016.
Отзывы читателей
