eng
Выпуск #2/2021
И.В.Яминский, А.И.Ахметова
Атомно-силовая микроскопия: изучение вирусов
Атомно-силовая микроскопия: изучение вирусов
Просмотры: 1912
DOI: 10.22184/1993-8578.2021.14.2.102.106
Вирусы – это объекты природы размером в десятки-сотни нанометров. Они часто состоят из молекул всего лишь двух типов: нуклеиновой кислоты, ДНК или РНК и белков. Иногда добавляются и липиды. Вирусы не могут самостоятельно размножаться, как, например, бактерии. Репликацию вирусов проводит сама инфицированная клетка, для чего она нарабатывает много копий нуклеиновых кислот и белков. В статье мы рассмотрим в деталях с помощью атомно-силового микроскопа различные виды вирусов, увидим их структурные особенности, которые делают их неуязвимыми, и узнаем, может ли одна вирусная частица вызвать заболевание.
Вирусы – это объекты природы размером в десятки-сотни нанометров. Они часто состоят из молекул всего лишь двух типов: нуклеиновой кислоты, ДНК или РНК и белков. Иногда добавляются и липиды. Вирусы не могут самостоятельно размножаться, как, например, бактерии. Репликацию вирусов проводит сама инфицированная клетка, для чего она нарабатывает много копий нуклеиновых кислот и белков. В статье мы рассмотрим в деталях с помощью атомно-силового микроскопа различные виды вирусов, увидим их структурные особенности, которые делают их неуязвимыми, и узнаем, может ли одна вирусная частица вызвать заболевание.
Теги: atomic-force microscopy morphology of viruses viruses атомно-силовая микроскопия вирусы морфология вирусов
АТОМНО-СИЛОВАЯ МИКРОСКОПИЯ: ИЗУЧЕНИЕ ВИРУСОВ
ATOMIC FORCE MICROSCOPY: STUDY OF VIRUSES
И.В.Яминский, д.ф.-м.н., проф. физического и химического факультетов МГУ имени М.В.Ломоносова, вед. научн. сотр. ИНЭОС РАН, директор Центра перспективных технологий, (ORCID: 0000-0001-8731-3947),
А.И.Ахметова, инженер НИИ ФХБ имени А.Н.Белозерского МГУ, ведущий специалист Центра перспективных технологий и Энергоэффективных технологий (ORCID: 0000-0002-5115-8030) / yaminsky@nanoscopy.ru
I.V.Yaminskiy, Doct. of Sci. (Physics and Mathematics), Prof. of Lomonosov Moscow State University, Physical and Chemical departments, Director of Advanced Technologies Center, Leading Sci. of INEOS RAS, A.I.Akhmetova, Engineer of A.N.Belozersky Institute of Physico-Chemical Biology, Leading Specialist of Advanced Technologies Center and of Energy Efficient Technologies
DOI: 10.22184/1993-8578.2021.14.2.102.106
Получено: 29.03.2021 г.
Вирусы – это объекты природы размером в десятки-сотни нанометров. Они часто состоят из молекул всего лишь двух типов: нуклеиновой кислоты, ДНК или РНК и белков. Иногда добавляются и липиды. Вирусы не могут самостоятельно размножаться, как, например, бактерии. Репликацию вирусов проводит сама инфицированная клетка, для чего она нарабатывает много копий нуклеиновых кислот и белков. В статье мы рассмотрим в деталях с помощью атомно-силового микроскопа различные виды вирусов, увидим их структурные особенности, которые делают их неуязвимыми, и узнаем, может ли одна вирусная частица вызвать заболевание.
Viruses are nature objects of tens or hundreds nanometers. They often consist of only two types of molecules: nucleic acid, DNA or RNA, and proteins. Sometimes lipids are added. Viruses cannot reproduce independently, like bacteria. Replication of viruses is carried out by the infected cell itself by producing many copies of nucleic acids and proteins. In this paper we will study in details various types of viruses with the help of an atomic force microscope to see their structural features that make them invulnerable, and learn whether one viral particle can cause a disease.
Вирус табачной мозаики (ВТМ) – это первый вирус, открытый в 1898 году Мартином Бейеринком. За шесть лет до этого в 1892 году Дмитрий Ивановский опубликовал статью о небактериальном патогене растений табака, он предположил, что это либо яд, либо некие сверхмалые существа, которых не видно в микроскоп. Сегодня этот вирус является модельным объектом для многих исследований и одним из самых изученных вирусов. ВТМ имеет палочкообразную форму, диаметр частицы – 18 нм, длину – 300 мкм. Как он выглядит в атомно-силовом микроскопе, показано на риc.1.
Вирусы имеют простую геометрическую форму – в большинстве случаев, это икосаэдр или цилиндр (палочка).
Изображения вируса мятлика, штриховой мозаики ячменя, вируса мозаики костра представлены на рис.2.
Изображение вируса Менго представлено на рис.3.
Чтобы вирус заразил клетку, он должен раздеться, сбросить белковую оболочку и обнажить молекулу РНК. Посмотреть, как это происходит в лабораторных условиях, можно с помощью атомно-силового микроскопа. Подействовали на ВТМ диметилсульфоксидом, и мы уже видим, как из белковой оболочки освобождается РНК.
На рис.4 представлено изображение разрушенного Х вируса картофеля: здесь и фрагменты оболочки, и вирусная РНК. Кстати, наблюдаемая высота РНК – всего лишь один нанометр. Это было сделано с помощью фосфорилирования, замены у белка оболочки атома водорода на остаток фосфорной кислоты. Такой процесс происходит и в живой природе.
У бактерий тоже есть вирусы. Это бактериофаги. Взаимодействие бактериофага с бактериями Escherichia coli визуализировано с помощью атомно-силового микроскопа в работе [3].
С помощью атомно-силового микроскопа можно не только наблюдать форму вируса в трех измерениях, но и исследовать его механические и физико-химические свойства, жесткость, противодействие разрушению, адгезивные и фрикционные свойства, склонность к агрегации, способность кристаллизоваться.
Надавили кантилевером на частицу Х вируса картофеля с разной силой и заметили, что высота вируса изменилась (рис.5). Теперь мы можем судить о жесткости вируса и даже понять, при какой силе воздействия он разрушается.
С помощью атомно-силовой микроскопии провели наблюдения коронавируса SARS-CoV-2 на воздухе при химическом и тепловом воздействии, в результате которого он погибает [5].
При чихании и кашле заболевшего человека вирусные частицы попадают в окружающий воздух и таким образом могут попасть к другому человеку. Больной человек при сильном кашле или чихании может выбросить сотни тысяч вирусных частиц, при этом капельки жидкости, размером около 4 мкм, содержащие вирус, могут находиться в воздухе в течение нескольких часов. Получается воздушно-капельное заражение. Капли большего размера оседают на поверхности – пол, столы или другие предметы. Поэтому при касании таких поверхностей тоже можно заразиться. Следовательно, применение масок и перчаток – это разумная мера защиты от коронавируса.
Сколько вирусов надо, чтобы заразиться? В лабораторных условиях на культуре клеток показано, что бывает достаточно и одного вируса. Один вирус попадает в клетку, клетка нарабатывает новые вирусы, они попадают в другие клетки и т. д. А как происходит в реальной жизни? Похоже на игру в рулетку, только подчас исход бывает смертельным.
Кто победит? Конечно, человек разумный. И в природе получается так, что вирус полностью не убивает всех своих носителей: будь то бактерии, растения, животные или люди. Ведь если погибают носители, то и полностью погибает вирус. Кстати, разобщение сильно препятствует распространению вируса, что как раз и делают локдаун, самоизоляция, удаленная работа и пр.
А бывает ли так, что кто-то вообще живет без вирусов? Оказывается, что да. Ученые до сих пор не обнаружили ни одного вируса у ели обыкновенной.
В наше время вирусы используют для борьбы с вирусами. Таким образом успешно работает вакцина "Спутник V" против коронавируса, созданная на основе модифицированных аденовирусов. В первой и второй прививках используются разные аденовирусы.
Берегите себя. Скоро на канале YouTube мы расскажем об атомно-силовой микроскопии вирусов. Про основы атомно-силовой микроскопии можно посмотреть на канале уже сейчас: https://youtu.be/RHiGj5EYlsg.
БЛАГОДАРНОСТИ
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ и Лондонского Королевского Общества № 21-58-10005, РНФ (проект № 20-12-00389) и РФФИ (проект № 20-32-90036).
ЛИТЕРАТУРА / REFERENCES
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) (2004) 673–678. https://doi.org/10.1007/s10595-005-0048-x.
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, 3/4 (2001) 167–174.
Dubrovin E.V., Voloshin A.G., Kraevsky S.V., Ignatyuk T.E., Abramchuk S.S., Yaminsky I.V., Ignatov S.G. Atomic force microscopy investigation of phage infection of bacteria. Langmuir : the ACS journal of surfaces and colloids, 24(22) (2008) 13068–13074. https://doi.org/10.1021/la8022612
Kiselyova O.I., Gallyamov M.O., Nasikan N.S., Yaminsky I.V., Karpova O.V., Novikov V.K. Scanning probe microscopy of biomacromolecules: nucleic acids, proteins and their complexes. In Frontiers of Multifunctional Nanosystems. V. 57. of NATO Science Series II: Mathematics, Physics and Chemistry, (2002) 321–330. Kluwer Academic Publishers Dordrecht, https://doi.org/10.1007/978-94-010-0341-4_24
Celik U., Celik K., Celik S., Abayli H., Sahna K.C., Tonbak Ş., Toramand Z.A., Oral A. Interpretation of SARS-CoV-2 behaviour on different substrates and denaturation of virions using ethanol: an atomic force microscopy study. RSC Adv., 10, (2020) 44079-44086. https://doi.org/10.1039/d0ra09083b
Декларация о конфликте интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликтов интересов или личных отношений, которые могли бы повлиять на работу, представленную в данной статье.
ATOMIC FORCE MICROSCOPY: STUDY OF VIRUSES
И.В.Яминский, д.ф.-м.н., проф. физического и химического факультетов МГУ имени М.В.Ломоносова, вед. научн. сотр. ИНЭОС РАН, директор Центра перспективных технологий, (ORCID: 0000-0001-8731-3947),
А.И.Ахметова, инженер НИИ ФХБ имени А.Н.Белозерского МГУ, ведущий специалист Центра перспективных технологий и Энергоэффективных технологий (ORCID: 0000-0002-5115-8030) / yaminsky@nanoscopy.ru
I.V.Yaminskiy, Doct. of Sci. (Physics and Mathematics), Prof. of Lomonosov Moscow State University, Physical and Chemical departments, Director of Advanced Technologies Center, Leading Sci. of INEOS RAS, A.I.Akhmetova, Engineer of A.N.Belozersky Institute of Physico-Chemical Biology, Leading Specialist of Advanced Technologies Center and of Energy Efficient Technologies
DOI: 10.22184/1993-8578.2021.14.2.102.106
Получено: 29.03.2021 г.
Вирусы – это объекты природы размером в десятки-сотни нанометров. Они часто состоят из молекул всего лишь двух типов: нуклеиновой кислоты, ДНК или РНК и белков. Иногда добавляются и липиды. Вирусы не могут самостоятельно размножаться, как, например, бактерии. Репликацию вирусов проводит сама инфицированная клетка, для чего она нарабатывает много копий нуклеиновых кислот и белков. В статье мы рассмотрим в деталях с помощью атомно-силового микроскопа различные виды вирусов, увидим их структурные особенности, которые делают их неуязвимыми, и узнаем, может ли одна вирусная частица вызвать заболевание.
Viruses are nature objects of tens or hundreds nanometers. They often consist of only two types of molecules: nucleic acid, DNA or RNA, and proteins. Sometimes lipids are added. Viruses cannot reproduce independently, like bacteria. Replication of viruses is carried out by the infected cell itself by producing many copies of nucleic acids and proteins. In this paper we will study in details various types of viruses with the help of an atomic force microscope to see their structural features that make them invulnerable, and learn whether one viral particle can cause a disease.
Вирус табачной мозаики (ВТМ) – это первый вирус, открытый в 1898 году Мартином Бейеринком. За шесть лет до этого в 1892 году Дмитрий Ивановский опубликовал статью о небактериальном патогене растений табака, он предположил, что это либо яд, либо некие сверхмалые существа, которых не видно в микроскоп. Сегодня этот вирус является модельным объектом для многих исследований и одним из самых изученных вирусов. ВТМ имеет палочкообразную форму, диаметр частицы – 18 нм, длину – 300 мкм. Как он выглядит в атомно-силовом микроскопе, показано на риc.1.
Вирусы имеют простую геометрическую форму – в большинстве случаев, это икосаэдр или цилиндр (палочка).
Изображения вируса мятлика, штриховой мозаики ячменя, вируса мозаики костра представлены на рис.2.
Изображение вируса Менго представлено на рис.3.
Чтобы вирус заразил клетку, он должен раздеться, сбросить белковую оболочку и обнажить молекулу РНК. Посмотреть, как это происходит в лабораторных условиях, можно с помощью атомно-силового микроскопа. Подействовали на ВТМ диметилсульфоксидом, и мы уже видим, как из белковой оболочки освобождается РНК.
На рис.4 представлено изображение разрушенного Х вируса картофеля: здесь и фрагменты оболочки, и вирусная РНК. Кстати, наблюдаемая высота РНК – всего лишь один нанометр. Это было сделано с помощью фосфорилирования, замены у белка оболочки атома водорода на остаток фосфорной кислоты. Такой процесс происходит и в живой природе.
У бактерий тоже есть вирусы. Это бактериофаги. Взаимодействие бактериофага с бактериями Escherichia coli визуализировано с помощью атомно-силового микроскопа в работе [3].
С помощью атомно-силового микроскопа можно не только наблюдать форму вируса в трех измерениях, но и исследовать его механические и физико-химические свойства, жесткость, противодействие разрушению, адгезивные и фрикционные свойства, склонность к агрегации, способность кристаллизоваться.
Надавили кантилевером на частицу Х вируса картофеля с разной силой и заметили, что высота вируса изменилась (рис.5). Теперь мы можем судить о жесткости вируса и даже понять, при какой силе воздействия он разрушается.
С помощью атомно-силовой микроскопии провели наблюдения коронавируса SARS-CoV-2 на воздухе при химическом и тепловом воздействии, в результате которого он погибает [5].
При чихании и кашле заболевшего человека вирусные частицы попадают в окружающий воздух и таким образом могут попасть к другому человеку. Больной человек при сильном кашле или чихании может выбросить сотни тысяч вирусных частиц, при этом капельки жидкости, размером около 4 мкм, содержащие вирус, могут находиться в воздухе в течение нескольких часов. Получается воздушно-капельное заражение. Капли большего размера оседают на поверхности – пол, столы или другие предметы. Поэтому при касании таких поверхностей тоже можно заразиться. Следовательно, применение масок и перчаток – это разумная мера защиты от коронавируса.
Сколько вирусов надо, чтобы заразиться? В лабораторных условиях на культуре клеток показано, что бывает достаточно и одного вируса. Один вирус попадает в клетку, клетка нарабатывает новые вирусы, они попадают в другие клетки и т. д. А как происходит в реальной жизни? Похоже на игру в рулетку, только подчас исход бывает смертельным.
Кто победит? Конечно, человек разумный. И в природе получается так, что вирус полностью не убивает всех своих носителей: будь то бактерии, растения, животные или люди. Ведь если погибают носители, то и полностью погибает вирус. Кстати, разобщение сильно препятствует распространению вируса, что как раз и делают локдаун, самоизоляция, удаленная работа и пр.
А бывает ли так, что кто-то вообще живет без вирусов? Оказывается, что да. Ученые до сих пор не обнаружили ни одного вируса у ели обыкновенной.
В наше время вирусы используют для борьбы с вирусами. Таким образом успешно работает вакцина "Спутник V" против коронавируса, созданная на основе модифицированных аденовирусов. В первой и второй прививках используются разные аденовирусы.
Берегите себя. Скоро на канале YouTube мы расскажем об атомно-силовой микроскопии вирусов. Про основы атомно-силовой микроскопии можно посмотреть на канале уже сейчас: https://youtu.be/RHiGj5EYlsg.
БЛАГОДАРНОСТИ
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ и Лондонского Королевского Общества № 21-58-10005, РНФ (проект № 20-12-00389) и РФФИ (проект № 20-32-90036).
ЛИТЕРАТУРА / REFERENCES
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) (2004) 673–678. https://doi.org/10.1007/s10595-005-0048-x.
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, 3/4 (2001) 167–174.
Dubrovin E.V., Voloshin A.G., Kraevsky S.V., Ignatyuk T.E., Abramchuk S.S., Yaminsky I.V., Ignatov S.G. Atomic force microscopy investigation of phage infection of bacteria. Langmuir : the ACS journal of surfaces and colloids, 24(22) (2008) 13068–13074. https://doi.org/10.1021/la8022612
Kiselyova O.I., Gallyamov M.O., Nasikan N.S., Yaminsky I.V., Karpova O.V., Novikov V.K. Scanning probe microscopy of biomacromolecules: nucleic acids, proteins and their complexes. In Frontiers of Multifunctional Nanosystems. V. 57. of NATO Science Series II: Mathematics, Physics and Chemistry, (2002) 321–330. Kluwer Academic Publishers Dordrecht, https://doi.org/10.1007/978-94-010-0341-4_24
Celik U., Celik K., Celik S., Abayli H., Sahna K.C., Tonbak Ş., Toramand Z.A., Oral A. Interpretation of SARS-CoV-2 behaviour on different substrates and denaturation of virions using ethanol: an atomic force microscopy study. RSC Adv., 10, (2020) 44079-44086. https://doi.org/10.1039/d0ra09083b
Декларация о конфликте интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликтов интересов или личных отношений, которые могли бы повлиять на работу, представленную в данной статье.
Отзывы читателей
