Наноиндустрия - научно-технический журнал - Наноиндустрия - Объединенная группа сканирующей зондовой микроскопии

Выпуск #5/2019

А.И.Ахметова
Объединенная группа сканирующей зондовой микроскопии

Загрузить полную PDF-версию статьи (1245.4 Кб)

Просмотры: 3314

Основное направление объединенной научной группы сканирующей зондовой микроскопии связано с созданием методов и аппаратуры бионаноскопии, а также с развитием их биомедицинских приложений. Одной из первых работ в группе биологической направленности стало исследование различий в морфологии клеточной стенки исходной и генно-модифицированной бактерии.

Теги: atomic balance detection of bacteria and viruses nanoparticles piezoceramic biosensor scanning probe microscopy атомные весы наночастицы обнаружение бактерий и вирусов пьезокерамический биосенсор сканирующая зондовая микроскопия

А.И.Ахметова1, 2, 3, инженер НИИ ФХБ имени А.Н.Белозерского МГУ, ведущий специалист Центра перспективных технологий и Энергоэффективных технологий (ORCID: 0000-0001-6363-8202) / pr@atcindustry.ru

А.I.Аkhmetova1, 2, 3, Engineer of A.N.Belozersky Institute of Physico-Chemical Biology, Leading Specialist of Advanced Technologies Center and of Energy Efficient Technologies

DOI: 10.22184/1993-8578.2019.12.5.304.310

Получено: 19.08.2019 г.

Основное направление объединенной научной группы сканирующей зондовой микроскопии связано с созданием методов и аппаратуры бионаноскопии, а также с развитием их биомедицинских приложений. Одной из первых работ биологической направленности в группе стало исследование различий в морфологии клеточной стенки исходной и генно-модифицированной бактерии [1].

United team of scientists is focused on developing of methods and equipment for bionanoscopy and medical applications based on use of the scanning probe microscopy. One of the first researches dealing with biology was an investigation of differences in cell wall morphology of the initial and genetically modified bacteria [1].

Сканирующий зондовый микроскоп становится практическим инструментом при развитии новых технологий, например, использования металлических наночастиц для материаловедения, биологии и медицины [2, 3, 4], нанесения полимерных пленок [5]. Существенных успехов удалось достичь в результате использования собственных уникальных разработок, среди которых программное обеспечение "ФемтоСкан Онлайн", различные модели сканирующих зондовых микроскопов и атомных весов [6, 7].

Сканирующий зондовый микроскоп играет ключевую роль не только в исследованиях вирусов [8, 9], но и в практической работе по раннему обнаружению вирусных частиц [10, 11] и бактериальных клеток [12, 13] в жидкостях и на воздухе.

Уникальная информация получается при исследовании биомакромолекул: ДНК [14, 15], РНК [16, 17], белков [18], а также бактерий [19], вирусов [20, 21] и их комплексов [22]. Особый интерес для современной медицины представляет изучение живых клеток методом СЗМ [23, 24, 25]. При наблюдении биомакромолекул и клеток критическими вопросами остаются не только методы нанесения образцов, но также выбор и подготовка соответствующей оптимальной подложки для иммобилизации ДНК [26, 27, 28, 29, 30], белков [31, 32] и клеток. Особый интерес для конструирования биосенсоров могут представлять наноструктурированные поверхности [33, 34].

Основное преимущество сканирующей зондовой микроскопии – возможность наблюдения за процессами, проходящими в живой природе: рост белковых кристаллов [35, 36, 37, 38], агрегация [39] и сегментация белков [40], конформационные изменения ДНК [41, 42] и их комплексов [43].

Наличие у научной группы надежного индустриального партнера в лице инновационной компании "Центр перспективных технологий" [44, 45] позволило решить многие научные, технические и технологические вопросы самым быстрым образом. Прогресс группы во многом был обеспечен наличием оригинальных разработок в Центре перспективных технологий – различных моделей сканирующего зондового микроскопа: "Скан-7" и "Скан-8", "ФемтоСкан", "ФемтоСкан Х" и "ФемтоСкан XI". "ФемтоСкан" стал первым в мире сканирующим зондовым микроскопом с полным управлением всеми режимами измерений через Интернет. В "ФемтоСкан Х" реализованы сверхбыстрые режимы измерений на частоте в 1 МГц. В микроскоп "ФемтоСкан XI" интегрированы режимы сканирующей капиллярной микроскопии и молекулярного 3D-принтера.

Руководитель объединенной группы сканирующей зондовой микроскопии профессор Яминский Игорь Владимирович является автором и соавтором многих оригинальных публикаций в журнале "Наноиндустрия". Он также является научным руководителем Центра молодежного творчества "Нанотехнологии", о работе которого журнал неоднократно давал информационные сообщения. В этом году ЦМИТ "Нанотехнологии" физического факультета и ЦКП "Бионаноскопия" химического факультета МГУ запустили программу поддержки исследований в следующих направлениях:

Биомедицинская сканирующая зондовая микроскопия;

Решения для создания элементов квантовых компьютеров;

Молекулярная 3D-печать;

Современное материаловедение;

Приборы и материалы для экспериментальных нанотехнологий.

Научная и научно-организационная деятельность руководителя группы сканирующей зондовой микроскопии профессора Яминского И.В. в разное время была поддержана академиками РАН Бакеевым Н.Ф., Егоровым А.М., Кабановым В.А., Кирпичниковым М.П., Луниным В.В., Мигулиным В.В., Хохловым А.Р.

Воспитанники и участники группы достигли высоких научных результатов, их деятельность была отмечена высокими наградами:

Ахметова А.И., Мешков Г.Б., Синицына О.В. награждены золотыми медалями Международного биотехнологического форума "РосБиоТех" (2016, 2018);

Киселева О.И. – стипендиат проекта Л’ОРЕАЛЬ-ЮНЕСКО "Для женщин в науке" (2007);

Образцова Е.А. – стипендиат проекта Л’ОРЕАЛЬ-ЮНЕСКО "Для женщин в науке" (2010);

Дубровин Е.В. – лауреат конкурса "Грант Москвы – 2001" в области естественных наук (2001); лауреат конкурса "Грант Москвы – 2005" в области наук и технологий в сфере образования, соросовский студент (2001), награжден золотой медалью на конкурсе молодых ученых московской международной конференции "Биотехнология и медицина" (2006), лауреат премии Европейской академии (2009), стипендиат Президента РФ (2004, 2005), обладатель Гранта Президента РФ для молодых ученых – кандидатов наук (2010, 2011);

Галлямов М.О. – стипендиат фонда Гумбольдта (2003, 2004), лауреат премии имени И.И.Шувалова (2011);

Меньшиков Е.А. – лауреат первой премии РОСНАНО за лучшую работу в области нанотехнологий (2008), призер компании Tokyo Boeki (2009);

Багров Д.В. – главный призер компании Dow Chemical (2007) за лучшую студенческую работу;

Большакова А.В., Мешков Г.Б., Синицына О.В. – лауреаты премии фонда Дерипаски за описания работ лабораторного практикума;

Добринин А.А., Шрамко Е.С.– серебряные медалисты ВВЦ за лучшую разработку, участники выставки "Современная образовательная среда" (2004).

За последние 10 лет объединенной группой сканирующей зондовой микроскопии был выполнен ряд крупных проектов. Среди них проект, поддержанный АО "РОСНАНО" по расширению производства аналитических приборов для исследований в материаловедении, биологии и медицине.

Все работы с общим бюджетом в 390 млн руб. были завершены досрочно [46]. По заказу LG Electronics в 2012–2015 годах были выполнены исследования по разработке высокочувствительных кантилеверных биосенсоров. В 2018–2019 годах 17 многофункциональных сканирующих зондовых микроскопов было поставлено в ведущие научные и образовательные центры, в том числе 14 из них – в Кванториумы Инновационного центра "Сколково" и г. Королева [47].

В прошедшем году сканирующий зондовый микроскоп "ФемтоСкан" получил Гран-при и золотую медаль международного форума-выставки "РосБиоТех-2018". В настоящее время работа объединенной группы сканирующей зондовой микроскопии поддержана РФФИ (проекты № 17-52-560001, № 16-29-06290), Фондом содействия инноваций, Департаментом инноваций и предпринимательства г. Москвы.

ЛИТЕРАТУРА / REFERENCE
Yaminsky I.V., Demin V.V., Bondarenko V.M. Differences in the cell surface of Escherichia coli K12 hybrid bacteria inheriting the rfb-a3,4 Shigella flexneri gene detected by atomic force microscopy // Journal of Microbiology, Epidemiology and Immunobiology. 1997. No. 6. P. 15–18.
Rudoy V.M., Dement’eva O.V., Yaminskii I.V., Sukhov V.M., Kartseva M.E., and Ogarev V.A. Metal nanoparticles on polymer surfaces: 1. a new method of determining glass transition temperature of the surface layer. Colloid Journal, 64(6):746–754, 2002. Rudoy, V.M., Dement’eva O.V., Yaminskii I.V. et al. // Colloid Journal, 64: 746, 2002.
Makarov V.V., Makarova S.S., Love A.J., Sinitsyna O.V., Dudnik A.O., Yaminsky I.V., Taliansky M.E., and Kalinina N.O. Biosynthesis of stable iron oxide nanoparticles in aqueous extracts of hordeum vulgare and rumex acetosa plants. Langmuir : the ACS journal of surfaces and colloids, 30(20):5982–5988, 2014.
Makarov V.V., Love A.J., Sinitsyna O.V., Makarova S.S., Yaminsky I.V., Taliansky M.E., and Kalinina N.O. "Green" nanotechnologies: synthesis of metal nanoparticles using plants. Acta Naturae, 6(1): 35–44, 2014.
Gallyamov M.O., Vinokur R.A., Nikitin L.N., Said-Galiyev E.E., Khokhlov A.R., Yaminsky I.V., and Schaumburg K. High-quality ultrathin polymer films obtained by deposition from supercritical carbon dioxide as imaged by atomic force microscopy. Langmuir : the ACS journal of surfaces and colloids, 18(18): 6928–6934, 2002.
Akhmetova A.I., Yaminsky I. V. 20. years as FemtoScan shows atoms. Nanoindustry, 2 (72): 88–89, 2017.
Gorelkin V., Kiselev G.A., Mukhin D.S., Kim T.S., Kim S.K., Lee S.M., and Yaminskii I.V. Use of Biospecific Reactions for the Design of High-Sensitivity Biosensors Based on Nanomechanical Cantilever Systems. Polymer Science, Ser. A, 2010, Vol. 52, No. 10, pp. 1023–1033.
Arkhipenko M.V., Petrova E.K., Nikitin N.A., Protopopova A.D., Dubrovin E.V., Yaminskii I.V., Rodionova N.P., Karpova O.V., Atabekov J.G. Characteristics of Artificial Virus-like Particles Assembled in vitro from Potato Virus X Coat Protein and Foreign Viral RNAs. ACTA NATURAE, 3, 40–46, 2011.
Kiselyova O.I., Nasikan N.S., Yaminsky I.V., Novikov V.K. AFM imaging of PVX particles and PVX RNA. Physics of Low-Dimensional Structures (PLDS) 3–4, 167–174, 2001.
Dubrovin E.V., Drygin Y.F., Novikov V.K., Yaminsky I.V. Atomic force microscopy as a tool of inspection of viral infection. Nanomedicine: Nanotechnology, Biology and Medicine 3 (2), 128–131, 2007.
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 140 (17), 6131–6137, 2015.
Dubrovin E.V., Fedyukina G.N., Kraevsky S.V., Ignatyuk T.E., Yaminsky I.V., etc. AFM Specific Identification of Bacterial Cell Fragments on Biofunctional Surfaces. The open microbiology journal 6, 22, 2012.
Bolshakova A.V., Kiselyova O.I., Filonov A.S., Frolova O.Yu., Lyubchenko Yu.L. and Yaminsky I.V. Comparative studies of bacteria with atomic force microscopy operating in different modes. Ultramicroscopy, 86(1–2):121–128, 2001.
Mikhailenko S.V., Sergeyev V.G., Zinchenko A.A., Gallyamov M.O., Yaminsky I.V. etc. Interplay between folding/unfolding and helix/coil transitions in giant DNA. Biomacromolecules 1 (4), 597–603, 2000.
Dubrovin E.V., Gerritsen J.W., Zivkovic J., Yaminsky I.V., Speller S. The effect of underlying octadecylamine monolayer on the DNA conformation on the graphite surface. Colloids and Surfaces B: Biointerfaces 76 (1), 63–69, 2010.
Makarov V., Rakitina D., Protopopova A., Yaminsky I., Arutiunian A., Love A.J. etc. Plant Coilin: Structural Characteristics and RNA-Binding Properties. PLoS One 8 (1), e53571.
Skabkin M.A., Kiselyova O.I., Chernov K.G., Sorokin A.V., Dubrovin E.V., Yaminsky I.V., Vasiliev V.D., and Ovchinnikov L.P. Structural organization of mRNA complexes with major core mRNP protein YB-1. Nucleic Acids Research, 32(18):5621–5635, 2004.
Kiselyova O.I., Yaminsky I.V., Ivanov Yu.D., Kanaeva I.P., Kuznetsov V.Yu., and Archakov A.I. Afm study of membrane proteins, cytochrome p 450 2b4, and nadph-cytochrome p 450 reductase and their complex formation. Archives of Biochemistry and Biophysics, 371(1):1–7, 1999.
Bolshakova A.V., Kiselyova O.I., Yaminsky I.V. Microbial surfaces investigated using atomic force microscopy // Biotechnology Progress. 2004. Vol. 20. No. 6. P. 1615–1622.
Dubrovin E.V., Kirikova M.N., Novikov V.K., Drygin Y.F., Yaminsky I.V. Study of the peculiarities of adhesion of tobacco mosaic virus by atomic force microscopy. Colloid Journal 66 (6), 673–678, 2004.
Karpova O.V., Zayakina O.V., Arkhipenko M.V., Sheval E.V., Kiselyova O.I., Poljakov V.Yu., Yaminsky I.V., Rodionova N.P., and Atabekov J.G. Potato virus x rna-mediated assembly of single-tailed ternary ‘coat protein-rna-movement protein’ complexes. Journal of General Virology, 87:2731–2740, 2006.
Drygin Y.F., Bordunova O.A., Gallyamov M.O., and Yaminsky I.V. Atomic force microscopy examination of tobacco mosaic virus and virion rna. FEBS Letters, 425(2):217–221, 1998.
Efremov Iu.M., Bagrov D.V., Dubrovin E.V., Bagrov D.V., Dubrovin E.V., Shaitan K.V., Iaminskii I.V. Atomic Force Microscopy of Living Cells: Advances and Future Outlooks. Biofizika, 56, 2, 288–303, 2011.
Gallyamov M.O., Yaminsky I.V., Egorov S.N., Lomonosov A.M. AFM of bacterial cells subjected to different factors. Physics of Low-Dimensional Structures (PLDS) 3, 125–130, 2003.
Actis P., Tokar S., Clausmeyer J., Babakinejad B., Mikhaleva S., Cornut R., Takahashi Y., Ainara L., Novak P., Shevchuck A., Dougan J., Kazarian S., Gorelkin P., Erofeev A., Yaminsky I., Unwin P., Wolfgang S., Klenerman D., Rusakov D., Sviderskaya T. and Korchev Yu. Electrochemical nanoprobes for single-cell analysis. ACS Nano, 8(1):875–884, 2014.
Dubrovin Eu., Staritsyn S., Yakovenko S. and Yaminsky I. Self-assembly effect during the adsorption of polynucleotides on stearic acid Langmuir-Blodgett monolayer. Biomacromolecules, 8(7): 2258–2261, 2007.
Gallyamov M.O., Vinokur R.A., Nikitin L.N., Said-Galiyev E.E., Khokhlov A.R., Yaminsky I.V. and Schaumburg K. Scanning probe microscopy study of polymer molecules and thin films deposited from supercritical carbon dioxide. PHYSICS OF LOW-DIMENSIONAL STRUCTURES, (5–6):153–162, 2002.
Volynskii A.L., Bazhenov S.L., Lebedeva O.V., Yaminskii I.V., Ozerin A.N., Bakeev N.F. The phenomenon of the stability loss of rigid coating during tensile drawing of polymer support. VYSOKOMOLEKULYARNYE SOEDINENIYA SERIYA A & SERIYA B, 39, 11, 1805–1811, 1997.
Dubrovin E.V., Gerritsen J.W., Zivkovic J., Yaminsky I.V., Speller S. The effect of underlying octadecylamine monolayer on the DNA conformation on the graphite surface. Colloids and Surfaces B: Biointerfaces 76 (1), 63–69, 2010.
Samoilova N.A., Krayukhina M.A., Novikova S.P., Babushkina T.A., Volkov I.O., Komarova L.I., Moukhametova L.I., Aisina R.B., Obraztsova E.A., Yaminsky I.V. and Yamskov I.A. Polyelectrolyte thromboresistant affinity coatings for modification of devices contacting blood. Journal of Biomedical Materials Research – Part A, 82(3), 589–598, 2007.
Kiselyova O.I., Guryev O.L., Krivosheev A.V., Usanov S.A., and Yaminsky I.V. Atomic force microscopy studies of Langmuir-Blodgett films of cytochrome P 450scc: Hemeprotein aggregation states and interaction with lipids. Langmuir : the ACS journal of surfaces and colloids, 15(4):1353–1359, 1999.
Ageev E.P., Vikhoreva G.A., Gal’braikh L.S., Matushkina N.N., Chaika E.M., Jaminsky I.V. Preparation and properties of films based on chitosan and polyelectrolyte complexes of chitosan with carboxymethylchitin. VYSOKOMOLEKULYARNYE SOEDINENIYA SERIYA A & SERIYA B, 40 (7), 1198–1204, 1998.
Dudnik A.O., Trofimchuk E.S., Efimov A.V., Nikonorova N.I., Rukhlya E.G., Yaminsky I.V. Evolution of the Nanoporous Structure of High-Density Polyethylene during Drawing in Supercritical Carbon Dioxide. Macromolecules 51 (3), 1129–1140, 2018.
Gorelkin P.V., Majouga A.G., Romashkina R.B., Beloglazkina E.K., Yaminsky I.V., etc. New self-assembled monolayer coated cantilever for histidine-tag protein immobilization. Mendeleev Communications 20 (6), 329–331, 2010.
Rashkovich L.N., Chernevich T.G., Gvozdev N.V., Shustin O.A., Yaminsky I.V. Steps wandering on the lysozyme and KDP crystals during growth in solution. Surface science 492 (1–2), L717-L72, 2001.
Rashkovich L.N., Gvozdev N.V., Sil’nikova M.I., Yaminskii I.V. and Chernov A.A. Dependence of the step velocity on its length on the (010) face of the orthorhombic lysozyme crystal. Crystallography Reports, 46(5):860–863, 2001.
Rashkovich L.N., Gvozdev N.V., and Yaminsky I.V. The mechanism of step motion in growth of lysozyme crystals. Crystallography Reports, 43(4):696–700, 1998.
Chernov A.A., Rashkovich L.N., Yaminski I.V. and Gvozdev N.V. Kink kinetics, exchange fluxes, 1d ‘nucleation’ and adsorption on the (010) face of orthorhombic lysozyme crystals. Journal of Physics Condensed Matter, 11(49):9969–9984, 1999.
Dubrovin E.V., Koroleva O.N., Khodak Y.A., Kuzmina N.V., Yaminsky I.V., etc. AFM study of Escherichia coli RNA polymerase sigma(70) subunit aggregation. Nanomedicine: Nanotechnology, Biology and Medicine 8 (1), 54–62, 2012.
Kiselyova O.I., Yaminsky I.V., Karpova O.V., Rodionova N.P., Kozlovsky S.V., Arkhipenko M.V. and Atabekov J.G. Afm study of potato virus x disassembly induced by movement protein. Journal of Molecular Biology, 332(2):321–323, 2003.
Yaminsky I., Gorelkin P., Kiselev G. Concurrence of intermolecular forces in monolayers. Japanese journal of applied physics 45 (3S), 2316, 2006.
Sergeyev V.G., Mikhailenko S.V., Pyshkina O.A., Yaminsky I.V. and Yoshikawa K. How does alcohol dissolve the complex of DNA with a cationic surfactant? Journal of the American Chemical Society, 121(9):1780–1785, 1999.
Koroleva O.N., Dubrovin E.V., Yaminsky I.V., Drutsa V.L. Effect of DNA bending on transcriptional interference in the systems of closely spaced convergent promoters. Biochimica et Biophysica Acta (BBA)-General Subjects 1860 (10), 2086–2096, 2016.
Moiseev Y.N., Panov V.I., Savinov S.V., Vasil’ev S.I., Yaminsky I.V. AFM and STM activities at advanced technologies center. Ultramicroscopy 42, 1596–1601, 1992.
Moiseev Y.N., Panov V.I., Savinov S.V., Yaminsky I.V. Local probing instrumentation at Advanced Technologies Center: Surface and force devices with tunneling sensor. Journal of Vacuum Science & Technology B: Microelectronics and Nanometer Structures Processing, Measurement, and Phenomena, 12 (3),
1690–1693, 1994.
http://www.rusnano.com/about/press-centre/news/75792.
Akhmetova A.I., Yaminsky I.V. The school needs FemtoScan. Nanoindustry, 12 (1): 64–66, 2019.

Наноиндустрия. Выпуск #5/2019

Отзывы читателей

Оставить свой отзыв

Наноиндустрия. Выпуск #5/2019