Текст 4. Плескова С.Н. Атомно-силовая микроскопия в биологических и медицинских исследованиях (выдержки)

В 1991 г. появляется первая обзорная статья по использованию сканирующей зондовой микроскопии в биологии, написанная А. Энжелом. Она содержала всего 9 ссылок, но уже включала сведения о получении не только изображений статических биологических образцов, но и приводила результаты исследования динамических процессов. Интересным фактом для сравнения является то, что в отличие от первого обзора сегодняшние обобщающие работы приводят цитаты тысячи работ, поступающих из сотни различных лабораторий.

Безусловно, все первые работы касались исключительно исследований биологических образцов на воздухе. Этот этап был немаловажен для истории развития АСМ в биологии. Именно в это время отрабатываются такие важные для дальнейшего развития моменты, как процессы пробоподготовки, фиксации объектов, выбор оптимальных подложек, оптических систем для визуализации позиционирования зонда и создания качественного сигнала, апробированы различные моды сканирования. Основной практической задачей в исследовании образцов на воздухе являлось получение высокоразрешающего изображения для биологических молекул (ДНК, белка и т.д.).

Первый прорыв в изучении биологических систем отмечается в связи с внедрением жидкостных ячеек и возможностью получения изображений клеток в самой подходящей (физиологичной) для них среде. Именно усложнение системы и шаг от единичных молекул к целой клетке ознаменовал прорыв в биомедицинской проявлении АСМ. Теперь становилось возможным рассматривать сложные биологические процессы в режиме реального времени, т.е. наблюдать за поглощением и выделением различных веществ из клеток, отслеживать отклики живых клеток на внешние воздействия, рассматривать процессы митоза и гибели клеток. Появилась возможность даже записывать фильмы о динамических процессах с недоступной ранее степенью разрешения! Практически одновременно с этом появляется вторая прорывная технология, связанная с переходом от контактного режима сканирования, способного привести к повреждению клеток к полуконтактному, простукивающему режиму. Использование такой моды позволило минимизировать воздействие зонда на клетку, убирая латеральные силы взаимодействия между зондом и образцом, и, тем самым, предотвращало разрушение мягких биологических образцов. Логичным продолжением этих технологий стало возникновение высокоскоростной АСМ. Т. Андо и П. Хансма создали целые фильмы, доказывающие возможность исследования быстрых биологических процессов методом высокоскоростной АСМ-микроскопии. Таким образом можно изучать движение молекул, сборку надмолекулярных комплексов, рост кристаллов, открывание и закрывание кальциевидных каналов, внутриклеточных транспорт и т.д. Оказалось, что можно использовать не только высокоскоростную микроскопию для получения изображений, но и высокоскоростную спектроскопию для исследования упруго-механических свойств поверхностей.

Текст 5. Литвинов М. Подсвеченные гены (выдержки)

Длина среднего по величине гена – 340 нм (0,34 мкм), а толщина – 1,8нм (0,018 мкм). Клетку печени человека невозможно увидеть глазами (ее диаметр около 20 мкм); ядро еще меньше (диаметр около 5мкм), однако в нем содержится около тридцати тысяч генов вместе с межгенными участками, которые занимают в десятки раз больше места. Если растянуть нити ДНК, собранные в ядре клетки человека, их длина составит примерно полтора метра. У растений ДНК бывает в десятки раз больше, а ядра мало отличаются по размеру от ядер животных…

На расчесанной молекуле можно намного точнее определить место гена, чем на нерасчесанной. Для это­го нужно провести ее гибридизацию с зондом. На фотографии светя­щиеся точки — уже знакомые нам по­вторы в 380 пар оснований, помечен­ные на расчесанных хромосомах лука. Видно, что между ними находятся вставки другой ДНК. Оценить рассто­яние помеченного участка от края молекулы, расстояние между генами, длину вставки можно с помощью дру­гой молекулы стандартной длины или с помощью расчета. В расплетенной молекуле на один микрометр длины приходится 2,9 тысяч пар нуклеотидов (для сравнения, в нерасплетенной — 2-4 млн. пар нуклеотидов).

Вопросы к текстам  3 -5:

1. Какие физические открытия XX века способствовали совершенствованию микроскопии?

2. Опираясь на ваши знания в области гистологии, укажите, какие объекты можно наблюдать с использованием различных видов микроскопов?

3. Какие возможности для изучения гена человека открывает микроскопия?