Атомно-силовий мікроскоп пристосували для спостережень за живими клітинами

Фізики з Франції та Гонконгу розробили конфігурацію атомно-силового мікроскопа, яка дозволяє спостерігати за рухом живих клітин. В якості зонда мікроскопа була обрана довга голка, частково занурена в рідину, причому використовувалися одночасно дві частоти коливань голки. За допомогою запропонованого методу можна отримати зображення більш високої роздільної здатності порівняно з традиційними методами оптичної мікроскопії, а також виміряти динаміку зміни механічних властивостей клітин. Робота опублікована в.

Незважаючи на те, що спочатку атомно-силова мікроскопія розроблялася виключно як метод отримання тривимірних зображень твердих поверхонь, зараз за допомогою неї вчені отримують багато додаткової інформації. Так, атомно-силовий мікроскоп дає інформацію про хімічний склад поверхні, її механічні властивості і товщину капілярної плівки, що покриває її. Можливість того чи іншого способу використання атомно-силового мікроскопа залежить багато в чому від властивостей голки-зонда, за допомогою якої проводиться експеримент. Ці голки можуть відрізнятися за довжиною, загостреністю кінчика і матеріалу. Іноді замість голок в якості зонда використовують частинки інших форм.

У своїй новій роботі фізики з Франції та Гонконгу розробили методику, яка дозволяє використовувати атомно-силову мікроскопію для вивчення рухомих клітин. Робота з клітинами передбачає проведення самого експерименту у водному середовищі, тому для вимірювань вчені вибрали наступну конфігурацію. В якості зонда була використана голка довжиною близько 150 мікрон, що приблизно в 10 разів довше тих, що використовуються в стандартних конфігураціях. Така голка дозволяє занурити в рідину тільки її нижню частину, а місце кріплення при цьому залишається на повітрі. Крім того, для ослаблення можливої взаємодії між голкою і кліткою, використовувалася не металева, а скляна голка.

В експерименті досліджувана клітина поміщалася в рідину, і всі вимірювання проводилися в неконтактному режимі: голка здійснювала періодичні вертикальні коливання безпосередньо над досліджуваною поверхнею, але ніколи стосувалася її. У такій конфігурації відгук на коливання зонда з боку клітини відбувається тільки за рахунок опору рідини. Сила гідродинамічного опору збільшується при зближенні зонда з кліткою, і за її величиною можна однозначно визначити положення поверхні. Крім того, залежність сили від відстані між зондом і досліджуваною клітиною дає інформацію про пружні властивості поверхні клітини.

Іншою особливістю роботи системи було накладення двох частот коливань голки. Частота в 50 кілогерц використовувалася для визначення положення клітини, а частота 300 кілогерц використовувалася для визначення її механічних властивостей.

Для перевірки запропонованого механізму автори роботи вивчили процес поділу ракових клітин людини HeLa. У результаті вченим не тільки вдалося отримати тривимірні зображення клітин у процесі ділення з високою роздільною здатністю, а й простежити за зміною упругих властивостей клітинної мембрани.

Вимірювання показали, що безпосередньо перед поділом клітинна мембрана стає дуже неоднорідною за своїми механічними властивостями, а середнє значення її модуля пружності сильно падає. Після поділу клітин механічні властивості мембрани майже повертаються до свого початкового рівня. Проведений експеримент підтвердив вже відомі закономірності про зміну пружних властивостей ракових клітин в процесі їх поділу, і таким чином показав, що використання подібної конфігурації атомно-силового мікроскопа: дуже довгої голки і накладення двох коливальних частот - вкрай перспективно і для інших досліджень клітинної механіки.

Зазвичай для дослідження клітинної динаміки використовуються різні методи оптичної мікроскопії з підвищеною просторовою і тимчасовою роздільною здатністю. Просторова роздільна здатність оптичних методів зазвичай не перевершує 1 мікрон, зате вони дають можливість за допомогою флуоресцентних міток досліджувати клітинну динаміку в невеликих живих організмах, наприклад деяких комах.