eng
Выпуск #5/2020
И.В.Яминский, А.И.Ахметова, З.Ван
Интеграция методов сканирующей зондовой микроскопии и матричной технологии оптических суперлинз
Интеграция методов сканирующей зондовой микроскопии и матричной технологии оптических суперлинз
Просмотры: 2017
DOI: 10.22184/1993-8578.2020.13.5.258.262
Наблюдение живой природы с нанометровым пространственным разрешением имеет первостепенное значение для понимания многих фундаментальных процессов, например функционирования сетей живых нейронов, бактериальной антибиотикорезистентности, взаимодействия вирусов с молекулярными рецепторами. Для получения полноценной и достоверной информации требуется комбинация высокоинформативных методов, к которым относятся оптическая и сканирующая зондовая микроскопия. На их базе создается цифровая платформа бионаноскопии.
Наблюдение живой природы с нанометровым пространственным разрешением имеет первостепенное значение для понимания многих фундаментальных процессов, например функционирования сетей живых нейронов, бактериальной антибиотикорезистентности, взаимодействия вирусов с молекулярными рецепторами. Для получения полноценной и достоверной информации требуется комбинация высокоинформативных методов, к которым относятся оптическая и сканирующая зондовая микроскопия. На их базе создается цифровая платформа бионаноскопии.
Теги: bacterial antibiotic resistance bionanoscopy optical and scanning probe microscopy антибиотикорезистентность бионаноскопия оптическая и сканирующая зондовая микроскопия
ИНТЕГРАЦИЯ МЕТОДОВ СКАНИРУЮЩЕЙ ЗОНДОВОЙ МИКРОСКОПИИ И МАТРИЧНОЙ ТЕХНОЛОГИИ ОПТИЧЕСКИХ СУПЕРЛИНЗ
INTEGRATION OF SCANNING PROBE MICROSCOPY METHODS AND MATRIX OPTICAL SUPERLENSES TECHNOLOGY
И.В.Яминский1, 2, 3, д.ф.-м.н., профессор МГУ имени М.В.Ломоносова, физический и химический факультеты, генеральный директор Центра перспективных технологий, директор Энергоэффективных технологий, вед. науч. сотрудник ИНЭОС РАН, (ORCID: 0000-0001-8731-3947), 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), З.Ван5, PhD, старший преподаватель (ORCID: 0000-0002-3282-1052) / yaminsky@nanoscopy.ru
I.V.Yaminskiy1, 2, 3, Doctor of Sc. (Physics and Mathematics), Prof. of Lomonosov Moscow State University, Physical and Chemical departments, Director of Advanced Technologies Center, Director of Energy Efficient Technologies, Leading Sci. of INEOS RAS, 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, Z.Wang5, PhD, Reader in imaging, Bagnor University, UK
DOI: 10.22184/1993-8578.2020.13.5.258.262
Получено: 21.08.2020 г.
Наблюдение живой природы с нанометровым пространственным разрешением имеет первостепенное значение для понимания многих фундаментальных процессов, например функционирования сетей из живых нейронов, бактериальной антибиотикорезистентности, взаимодействия вирусов с молекулярными рецепторами. Для получения полноценной и достоверной информации требуется комбинация высокоинформативных методов, к которым относятся оптическая и сканирующая зондовая микроскопия. На их базе создается цифровая платформа бионаноскопии.
Wildlife observation with nanometer spatial resolution is of paramount importance for understanding many fundamental processes, for example, the functioning of living neurons networks, bacterial antibiotic resistance, and the viruses interaction with molecular receptors. To obtain complete and reliable information, a combination of highly informative methods is required, which include optical and scanning probe microscopy. On this basis a digital bionanoscopy platform is being created.
В настоящее время при визуализации биологических систем прилагаются энергичные усилия для повышения быстродействия при обзоре большого поля с сохранением высокого пространственного разрешения на уровне единиц нанометров. Такую возможность предоставляют оптические методы высокого разрешения с использованием флуоресцентных агентов и методы сканирующей зондовой микроскопии. В 2011 году Zengbo Wang разработал новую технологию микролинзовой оптики с разрешением на уровне 60 нм [1, 2, 3]. Научной группой Z.Wang был разработан принцип оптической микроскопии с помощью твердой иммерсионной микролинзы на основе метаматериала – mSIL (metamaterial Solid Immersion Lens) [4]. Микролинза mSIL изготавливается путем плотной укладки наночастиц с высоким показателем преломления (например, анатаза TiO2) в полусферическую твердую иммерсионную микролинзу диаметром 10–30 мкм. Такая микролинза осуществляет преобразование эванесцентной волны из ближней зоны вблизи своей границы в распространяющуюся волну в дальнем поле. Микролинза успешно работает в белом свете. По сравнению с другими микролинзами mSIL работают эффективнее, создавая более качественные оптические изображения структур нанометрового диапазона, включая поверхности микросхем и объектов биологического происхождения – клеток и аденовирусов.
Одиночные линзы на основе микросфер активно используются в фундаментальных исследованиях как для увеличения разрешения оптических микроскопов с преодолением дифракционного предела, так и совместного использования с атомно-силовым микроскопом за счет закрепления микросферы из кварца или титаната бария на кантилевере. Однако в предложенных решениях имеются существенные недостатки: малое поле обзора, низкое быстродействие и, как следствие, проведение сильно усеченного по времени и пространству наблюдения процессов в живой природе. В оптической микроскопии для преодоления дифракционного предела широко используются методы, отмеченные Нобелевской премией по химии 2014 года (E.Betzig, S.W.Hell, W.E.Moener). Эти методы позволяют получить дискретное оптическое изображение с нанометровой детализацией. К ограничениям этого метода относится необходимость использования флуоресцентных меток и веществ, что налагает особые условия на пробоподготовку и на сами наблюдаемые объекты.
Совмещение микролинзовой технологии и совокупности методов зондовой микроскопии, включая атомно-силовую микроскопию, сканирующую капиллярную микроскопию, электрохимическую микроскопию, высокоскоростную зондовую микроскопию, разрабатываемые в нашей научной группе, позволяет создать цифровую платформу бионаноскопии с рекордными параметрами по скорости наблюдения и пространственному разрешению. Кроме того, этот подход дает возможность изучать объекты на полях вплоть до миллиметровых размеров. Благодаря создаваемой цифровой платформе можно получить детальную и полноценную картину наблюдаемых явлений. С ее помощью становится возможным накопление новых экспериментальных данных и результатов при изучении таких важных задач биомедицины, как раннее обнаружение вирусных агентов и инфекций, бактериальная антибиотикорезистентность, топология и функционирование сетей живых нейронов.
Высокоскоростная сканирующая зондовая микроскопия в последнее время активно развивается для наблюдения процессов в биологических системах. Так, в 2019 году в журнале Nature была опубликована статья, где авторы следили за изменением механической жесткости тургора клетки при ее делении [5]. Однако зарегистрировать процесс перекрытия самого перешейка делящихся клеток не удалось из-за ограничения в скорости измерений. Другим ограничением быстродействующей зондовой микроскопии является, как правило, небольшое поле сканирования. Этот недостаток призвана решить матричная микролинзовая оптика. Эта оптика, например, может реализовать быстрый поиск бактерии, совершающей осцилляции нанометрового масштаба, а зондовая микроскопия провести последующее детальное изучение характера этих колебаний. Таким образом, можно существенно сократить общее время определения воздействия антибиотика на бактериальную клетку. Важно, что зондовая микроскопия дает важную дополнительную информацию о клетках, получить которую другими способами не удается. В работе [6] с помощью атомно-силовой микроскопии было показано, что липопротеин Lpp регулирует механические свойства клеточной оболочки кишечной палочки и ее устойчивость к антибиотикам. Золотым стандартом определения устойчивости бактерий к антибиотикам является их выращивание на культуральной среде с добавками антибиотиков. Однако этот процесс часто бывает очень длительным, что становится недопустимым при выявлении характера бактериальной инфекции и при принятии решения о медикаментозном лечении.
Существенный прогресс в визуализации живых нейронов продемонстрировали атомно-силовая [7] и сканирующая капиллярная (ион-проводящая) микроскопия [8]. В результате удается с нанометровым пространственным разрешением наблюдать топологию сетей нейронов в буферных растворах. Существующие работы в области изучения нейронов в основном связаны с наблюдением топографии нейронных сетей. Однако остаются наиважнейшие и вместе с тем экспериментально плохо изученные вопросы: связь между топографией нейронных сетей и траекторией прохождения сигналов, установление взаимосвязи между нейронами в процессе их роста, молекулярные механизмы памяти и запись информации через топографию нейронных сетей и многие другие нерешенные задачи. Цифровая платформа бионаноскопии призвана их решить.
Предлагаемое аппаратное решение состоит из двух основных частей:
массива оптических микролинз, расположенного на инвертированном оптическом микроскопе с 40–100-кратным увеличением,
многофункционального сканирующего зондового микроскопа с режимами атомно-силового, капиллярного и электрохимического измерений, установленного на инвертированном микроскопе с доступом для сканирования кантилевером поверхности массива микролинз и/или сенсорной поверхности.
Зондовая микроскопия позволяет проводить визуализацию объектов на воздухе и в жидких средах и одновременно выполнять следующие функции:
С помощью аппаратуры, созданной на основе оптической и сканирующей зондовой микроскопии, возможно изучение широкого класса объектов, включая биополимерные пленки и мембраны, вирусы и бактерии, живые клетки высших организмов.
В результате цифровая платформа бионаноскопии позволяет проводить наблюдения сложных биологических систем с рекордными параметрами по быстродействию и пространственному разрешению.
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда (проект № 20-12-00389) и Российского фонда фундаментальных исследований (проект № 20-32-90036).
ЛИТЕРАТУРА / REFERENCES
Wang Z., Guo W., Li L., Luk’yanchuk B., Khan A., Liu Z., Chen Z., Hong M. Optical virtual imaging at 50 nm lateral resolution with a white-light nanoscope, Nature Communications (2011) 2, p. Article No. 218. https://doi.org/10.1038/ncomms1211.
Monks J., Yan B., Hawkins N., Vollrath F., Wang Z. Spider Silk: Mother Nature’s Bio-Superlens, Nano Letters. 16, (2016) 5842−5845. https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.6b02641.
Yan B., Yue L., Monks J.N., Yang X., Xiong D., Jiang C., Wang Z. Superlensing Plano-Convex-Microsphere (PCM) lens for direct laser nano marking and beyond, Opt. Lett., 45 (2020) 1168-1171.
Fan W., Yan B., Wang Z.B., Wu L. Three-dimensional all-dielectric metamaterial solid immersion lens for subwavelength imaging at visible frequencies, Sci. Adv. 2, (2016) e1600901. http://dx.doi.org/10.1126/sciadv.1600901.
Odermatt P.D., Hannebelle M.T.M., Eskandarian H.A. et al. Overlapping and essential roles for molecular and mechanical mechanisms in mycobacterial cell division. Nat. Phys. 16, (2020) 57–62. https://doi.org/10.1038/s41567-019-0679-1.
Mathelié-Guinlet M., Asmar A.T., Collet J. et al. Lipoprotein Lpp regulates the mechanical properties of the E. coli cell envelope. Nat Commun 11, (2020) 1789. https://doi.org/10.1038/s41467-020-15489-1.
Shibata M., Uchihashi T., Ando T. et al. Long-tip high-speed atomic force microscopy for nanometer-scale imaging in live cells. Sci Rep 5, (2015) 8724. https://doi.org/10.1038/srep08724.
Simeonov S., Schäffer T.E. High-speed scanning ion conductance microscopy for sub-second topography imaging of live cells, Nanoscale 11, (2019) 8579. https://doi.org/10.1039/c8nr10162k.
INTEGRATION OF SCANNING PROBE MICROSCOPY METHODS AND MATRIX OPTICAL SUPERLENSES TECHNOLOGY
И.В.Яминский1, 2, 3, д.ф.-м.н., профессор МГУ имени М.В.Ломоносова, физический и химический факультеты, генеральный директор Центра перспективных технологий, директор Энергоэффективных технологий, вед. науч. сотрудник ИНЭОС РАН, (ORCID: 0000-0001-8731-3947), 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), З.Ван5, PhD, старший преподаватель (ORCID: 0000-0002-3282-1052) / yaminsky@nanoscopy.ru
I.V.Yaminskiy1, 2, 3, Doctor of Sc. (Physics and Mathematics), Prof. of Lomonosov Moscow State University, Physical and Chemical departments, Director of Advanced Technologies Center, Director of Energy Efficient Technologies, Leading Sci. of INEOS RAS, 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, Z.Wang5, PhD, Reader in imaging, Bagnor University, UK
DOI: 10.22184/1993-8578.2020.13.5.258.262
Получено: 21.08.2020 г.
Наблюдение живой природы с нанометровым пространственным разрешением имеет первостепенное значение для понимания многих фундаментальных процессов, например функционирования сетей из живых нейронов, бактериальной антибиотикорезистентности, взаимодействия вирусов с молекулярными рецепторами. Для получения полноценной и достоверной информации требуется комбинация высокоинформативных методов, к которым относятся оптическая и сканирующая зондовая микроскопия. На их базе создается цифровая платформа бионаноскопии.
Wildlife observation with nanometer spatial resolution is of paramount importance for understanding many fundamental processes, for example, the functioning of living neurons networks, bacterial antibiotic resistance, and the viruses interaction with molecular receptors. To obtain complete and reliable information, a combination of highly informative methods is required, which include optical and scanning probe microscopy. On this basis a digital bionanoscopy platform is being created.
В настоящее время при визуализации биологических систем прилагаются энергичные усилия для повышения быстродействия при обзоре большого поля с сохранением высокого пространственного разрешения на уровне единиц нанометров. Такую возможность предоставляют оптические методы высокого разрешения с использованием флуоресцентных агентов и методы сканирующей зондовой микроскопии. В 2011 году Zengbo Wang разработал новую технологию микролинзовой оптики с разрешением на уровне 60 нм [1, 2, 3]. Научной группой Z.Wang был разработан принцип оптической микроскопии с помощью твердой иммерсионной микролинзы на основе метаматериала – mSIL (metamaterial Solid Immersion Lens) [4]. Микролинза mSIL изготавливается путем плотной укладки наночастиц с высоким показателем преломления (например, анатаза TiO2) в полусферическую твердую иммерсионную микролинзу диаметром 10–30 мкм. Такая микролинза осуществляет преобразование эванесцентной волны из ближней зоны вблизи своей границы в распространяющуюся волну в дальнем поле. Микролинза успешно работает в белом свете. По сравнению с другими микролинзами mSIL работают эффективнее, создавая более качественные оптические изображения структур нанометрового диапазона, включая поверхности микросхем и объектов биологического происхождения – клеток и аденовирусов.
Одиночные линзы на основе микросфер активно используются в фундаментальных исследованиях как для увеличения разрешения оптических микроскопов с преодолением дифракционного предела, так и совместного использования с атомно-силовым микроскопом за счет закрепления микросферы из кварца или титаната бария на кантилевере. Однако в предложенных решениях имеются существенные недостатки: малое поле обзора, низкое быстродействие и, как следствие, проведение сильно усеченного по времени и пространству наблюдения процессов в живой природе. В оптической микроскопии для преодоления дифракционного предела широко используются методы, отмеченные Нобелевской премией по химии 2014 года (E.Betzig, S.W.Hell, W.E.Moener). Эти методы позволяют получить дискретное оптическое изображение с нанометровой детализацией. К ограничениям этого метода относится необходимость использования флуоресцентных меток и веществ, что налагает особые условия на пробоподготовку и на сами наблюдаемые объекты.
Совмещение микролинзовой технологии и совокупности методов зондовой микроскопии, включая атомно-силовую микроскопию, сканирующую капиллярную микроскопию, электрохимическую микроскопию, высокоскоростную зондовую микроскопию, разрабатываемые в нашей научной группе, позволяет создать цифровую платформу бионаноскопии с рекордными параметрами по скорости наблюдения и пространственному разрешению. Кроме того, этот подход дает возможность изучать объекты на полях вплоть до миллиметровых размеров. Благодаря создаваемой цифровой платформе можно получить детальную и полноценную картину наблюдаемых явлений. С ее помощью становится возможным накопление новых экспериментальных данных и результатов при изучении таких важных задач биомедицины, как раннее обнаружение вирусных агентов и инфекций, бактериальная антибиотикорезистентность, топология и функционирование сетей живых нейронов.
Высокоскоростная сканирующая зондовая микроскопия в последнее время активно развивается для наблюдения процессов в биологических системах. Так, в 2019 году в журнале Nature была опубликована статья, где авторы следили за изменением механической жесткости тургора клетки при ее делении [5]. Однако зарегистрировать процесс перекрытия самого перешейка делящихся клеток не удалось из-за ограничения в скорости измерений. Другим ограничением быстродействующей зондовой микроскопии является, как правило, небольшое поле сканирования. Этот недостаток призвана решить матричная микролинзовая оптика. Эта оптика, например, может реализовать быстрый поиск бактерии, совершающей осцилляции нанометрового масштаба, а зондовая микроскопия провести последующее детальное изучение характера этих колебаний. Таким образом, можно существенно сократить общее время определения воздействия антибиотика на бактериальную клетку. Важно, что зондовая микроскопия дает важную дополнительную информацию о клетках, получить которую другими способами не удается. В работе [6] с помощью атомно-силовой микроскопии было показано, что липопротеин Lpp регулирует механические свойства клеточной оболочки кишечной палочки и ее устойчивость к антибиотикам. Золотым стандартом определения устойчивости бактерий к антибиотикам является их выращивание на культуральной среде с добавками антибиотиков. Однако этот процесс часто бывает очень длительным, что становится недопустимым при выявлении характера бактериальной инфекции и при принятии решения о медикаментозном лечении.
Существенный прогресс в визуализации живых нейронов продемонстрировали атомно-силовая [7] и сканирующая капиллярная (ион-проводящая) микроскопия [8]. В результате удается с нанометровым пространственным разрешением наблюдать топологию сетей нейронов в буферных растворах. Существующие работы в области изучения нейронов в основном связаны с наблюдением топографии нейронных сетей. Однако остаются наиважнейшие и вместе с тем экспериментально плохо изученные вопросы: связь между топографией нейронных сетей и траекторией прохождения сигналов, установление взаимосвязи между нейронами в процессе их роста, молекулярные механизмы памяти и запись информации через топографию нейронных сетей и многие другие нерешенные задачи. Цифровая платформа бионаноскопии призвана их решить.
Предлагаемое аппаратное решение состоит из двух основных частей:
массива оптических микролинз, расположенного на инвертированном оптическом микроскопе с 40–100-кратным увеличением,
многофункционального сканирующего зондового микроскопа с режимами атомно-силового, капиллярного и электрохимического измерений, установленного на инвертированном микроскопе с доступом для сканирования кантилевером поверхности массива микролинз и/или сенсорной поверхности.
Зондовая микроскопия позволяет проводить визуализацию объектов на воздухе и в жидких средах и одновременно выполнять следующие функции:
- осуществлять доставку веществ и реагентов в область нанометровых размеров,
- проводить электрофизиологические исследования,
- измерять картину прохождения электрических сигналов,
- реализовывать наномеханические воздействия,
- обрабатывать данные и изображения с использованием алгоритмов искусственного интеллекта.
С помощью аппаратуры, созданной на основе оптической и сканирующей зондовой микроскопии, возможно изучение широкого класса объектов, включая биополимерные пленки и мембраны, вирусы и бактерии, живые клетки высших организмов.
В результате цифровая платформа бионаноскопии позволяет проводить наблюдения сложных биологических систем с рекордными параметрами по быстродействию и пространственному разрешению.
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда (проект № 20-12-00389) и Российского фонда фундаментальных исследований (проект № 20-32-90036).
ЛИТЕРАТУРА / REFERENCES
Wang Z., Guo W., Li L., Luk’yanchuk B., Khan A., Liu Z., Chen Z., Hong M. Optical virtual imaging at 50 nm lateral resolution with a white-light nanoscope, Nature Communications (2011) 2, p. Article No. 218. https://doi.org/10.1038/ncomms1211.
Monks J., Yan B., Hawkins N., Vollrath F., Wang Z. Spider Silk: Mother Nature’s Bio-Superlens, Nano Letters. 16, (2016) 5842−5845. https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.6b02641.
Yan B., Yue L., Monks J.N., Yang X., Xiong D., Jiang C., Wang Z. Superlensing Plano-Convex-Microsphere (PCM) lens for direct laser nano marking and beyond, Opt. Lett., 45 (2020) 1168-1171.
Fan W., Yan B., Wang Z.B., Wu L. Three-dimensional all-dielectric metamaterial solid immersion lens for subwavelength imaging at visible frequencies, Sci. Adv. 2, (2016) e1600901. http://dx.doi.org/10.1126/sciadv.1600901.
Odermatt P.D., Hannebelle M.T.M., Eskandarian H.A. et al. Overlapping and essential roles for molecular and mechanical mechanisms in mycobacterial cell division. Nat. Phys. 16, (2020) 57–62. https://doi.org/10.1038/s41567-019-0679-1.
Mathelié-Guinlet M., Asmar A.T., Collet J. et al. Lipoprotein Lpp regulates the mechanical properties of the E. coli cell envelope. Nat Commun 11, (2020) 1789. https://doi.org/10.1038/s41467-020-15489-1.
Shibata M., Uchihashi T., Ando T. et al. Long-tip high-speed atomic force microscopy for nanometer-scale imaging in live cells. Sci Rep 5, (2015) 8724. https://doi.org/10.1038/srep08724.
Simeonov S., Schäffer T.E. High-speed scanning ion conductance microscopy for sub-second topography imaging of live cells, Nanoscale 11, (2019) 8579. https://doi.org/10.1039/c8nr10162k.
Отзывы читателей
