Как заглянуть в микромир, не уничтожив всё живое на своем пути
Все мы видели запечатленных под микроскопом одноклеточных существ. Ученые научились разглядывать и более мелкие объекты, например, нити ДНК. Но в последнем случае снимки хранят довольно мрачную тайну, а именно смертный приговор для изучаемого образца. Это досадно ещё и потому, что «биология» в мертвом состоянии часто выглядит и ведет себя не так, как в живом. К счастью, в последние десятилетия получила распространение технология, позволяющая рассматривать мельчайшие биологические объекты, не убивая их. Это атомно-силовая микроскопия.
В 1538 году итальянский врач Джироламо Фракасторо заметил, что если поместить одну линзу над другой, то предмет, находящийся под ними, будет выглядеть намного более крупным.
Это открытие привело к созданию составных микроскопов, чьи потомки способны с помощью видимого света показать объекты размером всего в 200 нанометров, что примерно равно 1/500 диаметра человеческого волоса. Этот масштаб идеально подходит для изучения, например, клеток крови или бактерий, но для исследования вирусов, ДНК или белков нужно что-то другое. Дело в том, что ниже порога в 200 нанометров дает о себе знать так называемый «предел дифракции».
В 1933 году исследователям удалось обойти это ограничение – они создали электронные микроскопы, которые прогоняют сквозь образец пучок названных элементарных частиц. Сталкиваясь с атомными ядрами и рассеиваясь, электроны дали возможность увидеть объекты размером всего в 0,1 нанометра. Этот результат в две тысячи раз лучше, чем у оптических микроскопов.
Таким образом, если вы хотите рассмотреть, как, допустим, коронавирус заражает клетки человека, то это определенно наилучший выбор. Проблема в том, что и микроб, и его жертва должны погибнуть, так как данная технология требует, чтобы образец проводил электричество и находился в вакууме. Его приходится обезвоживать, замораживать, нарезать на кусочки и покрывать проводником, в частности, золотом. Понятно, что после этого он не только мертв, но и с большой долей вероятности поврежден. Это, конечно же, не лучший способ выяснить, что происходит в живых организмах на фундаментальном уровне.
И, наконец, в середине 80-ых годов прошлого века был создан гораздо более милосердный атомно-силовой микроскоп (АСМ). Он не требует, чтобы образцы проводили электричество, поэтому покрывать их металлом не нужно. Также нет необходимости замораживать их, нарезать и обезвоживать.
Устройство обходится без вакуума. Оно позволяет рассматривать образцы, пребывающие в жидкости, где, собственно, и предпочитают находиться микроскопические живые существа.
АСМ, использующиеся для изучения живых биологических образцов, работают с помощью сверхмалого зонда, который с определенной частотой движется вверх-вниз. Он перемещается вдоль рассматривающегося объекта, зависая чуть выше его поверхности. Когда его кончик находится на расстоянии примерно 10 нанометров от образца, он притягивается к нему благодаря силам Ван-дер-Ваальса – тем самым, которые позволяют лапам гекконов прилипать к тем или иным поверхностям. Но когда инструмент приближается на расстояние, исчисляемое несколькими десятыми нанометра, его электроны начинают отталкиваться от собратьев, находящихся в образце. Отслеживая все эти притяжения и отскоки, микроскоп создает что-то вроде трехмерной карты с точностью до атомарного уровня.
Некоторые типы зондов способны измерять механические свойства образца, вроде жесткости или силы поверхностного трения. Это весьма «говорящие» характеристики. Так, например, определенные раковые клетки более жесткие, чем их здоровые аналоги, поэтому ученые пытаются сегодня приспособить атомно-силовую микроскопию для диагностики онкологических заболеваний.
Первые поколения АСМ имели огромный недостаток. На создание одного изображения им требовалось несколько минут. Этого времени достаточно, чтобы белки или вирусы скрылись из виду, поэтому ранние снимки упускали много важных деталей. Но уже к 2001 году исследователи миниатюризировали сканирующее оборудование и внесли другие усовершенствования, позволившие задействовать АСМ на полную мощность.
Современные микроскопы этого типа могут демонстрировать происходящее в режиме реального времени, выдавая до 50 кадров в секунду. Это позволяет ученым рассматривать свертывание белков, соединяющиеся в спирали нити ДНК, клеточные мембраны, которые открываются, впуская патогены, многое другое. Атомно-силовая микроскопия дает возможность также управлять некоторыми процессами. Так, например, исследователи прикрепляют молекулу лекарства на кончик сканирующего зонда, находят рецептор, на который она должна воздействовать, вводят препарат и смотрят на то, что происходит далее.
Как видим, со времен Джироламо Фракасторо микроскопы проделали огромный эволюционный путь. И даже то чудо техники, которое описано последним, вряд ли станет его конечной точкой. Науке невероятно интересен микромир, а это значит, что она будет и далее совершенствовать свои инструменты.
