Ученые «просветили» кишечную палочку

2 января 2020
106

Российские ученые в рамках международного сотрудничества впервые применили метод, позволяющий совмещать визуальные микроскопические наблюдения и регистрацию фотоэмиссионного спектра. Анализ последнего в перспективе поможет построить карту физико-химического состояния поверхности клеток. Исследователи показали это на примере кишечной палочки Escherichia coli, которая является перспективным материалом для развития природоподобных технологий. Исследование поддержано грантом Российского научного фонда. Статья опубликована в журнале Results in Physics.

Изучение природоподобных объектов — активно развивающееся направление науки, использующее биологические материалы. Это, например, технологии получения наноразмерных конструкций на основе ДНК, белковых капсул и конъюгатов, нуклеопротеидных комплексов. Однако для создания подобных объектов необходимо понимание того, как функционирует биологическая система в целом. Также не обойтись без методик тонкого управления составом и структурой этих конструкций.

Одним из наиболее удобных объектов для разработки такого рода технологий являются клетки кишечной палочки E. coli — бактерии, которую легко выращивать в лабораторных условиях. Она синтезирует ферритин-подобные белки Dps, способные накапливать внутри своей глобулы соединения железа фиксированной формы и размером не более пяти нанометров. Для выделения таких молекул можно использовать достаточно длительный и относительно затратный способ, предполагающий несколько видов фракционирования. Однако сами клетки E. coli могут выступать в роли конвейера, своего рода «фабрики» для контролируемого производства, формирования, транспортировки и распределения таких белков, содержащих неорганическое ядро. Тем не менее, открытыми остаются вопросы физико-химического состояния соединений железа, их локального атомного и электронного строения в составе бактериальных клеток в целом и на их поверхности. На данный момент не существует универсальных, точных и химически чувствительных методов исследования микрочастиц на поверхности биологических объектов. Ученые из Воронежского государственного университета совместно с коллегами, в том числе из Балтийского федерального университета имени И. Канта, впервые применили для решения этой задачи высокоразрешающий комплексный метод фотоэмиссионной электронной микроскопии Photo Emission Electron Microscopy (PEEM). Это позволило визуально наблюдать отдельные клетки E. сoli.

«Использование комплекса высокоразрешающих методов рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии и растровой электронной микроскопии показало эффективность предложенного подхода. Можно надеяться на то, что РЕЕМ будет применяться для биоимиджинга клеточных объектов с интегрированными неорганическими наночастицами. Это позволит сформировать “карты” неорганических включений клеточной поверхности, то есть получить информацию о том, какие атомы и в каком состоянии локализованы на мембране бактериальной клетки», — отмечает руководитель проекта, доктор физико-математических наук, доцент Сергей Турищев. Метод рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии применялся с использованием синхротронного излучения уникальной установки класса «мегасайенс» мирового уровня НИЦ «Курчатовский институт». 

«Наши дальнейшие планы состоят, в первую очередь, в попытке увеличения разрешающей способности данного подхода, чтобы иметь перспективу получать максимально детальные данные о поверхности одиночных клеток или отдельных ее участков. Кроме того, хотелось бы рассмотреть возможность применения этого метода не только для бактериальных клеток, обладающих достаточно прочной мембраной, но и для более “нежных” эукариотических», — прокомментировал Сергей Антипов, доктор биологических наук, руководитель научной группы «Молекулярная биофизика и бионанотехнологии» Института живых систем Балтийского федерального университета имени И. Канта.

Исследование проводилось учеными Воронежского государственного университета совместно с коллегами из Берлинского центра материалов и энергии имени Гельмгольца (Берлин, Германия), Института фотонных технологий Лейбница (Йена, Германия), Национального исследовательского центра «Курчатовский институт» (Москва), Института биофизики клетки РАН (Пущино) и Балтийского федерального университета имени И. Канта (Калининград).