Атомно-силовой микроскоп приспособили для наблюдений за живыми клетками
Физики из Франции и Гонконга разработали конфигурацию атомно-силового микроскопа, которая позволяет наблюдать за движением живых клеток. В качестве зонда микроскопа была выбрана длинная иголка, частично погруженная в жидкость, причем использовались одновременно две частоты колебаний иголки. С помощью предложенного метода можно получить изображение более высокого разрешения по сравнению с традиционными методами оптической микроскопии, а также измерить динамику изменения механических свойств клеток. Работа опубликована в Physical Review Applied.
Несмотря на то, что изначально атомно-силовая микроскопия разрабатывалась исключительно как метод получения трехмерных изображений твердых поверхностей, сейчас с помощью нее ученые получают много дополнительной информации. Так, атомно-силовой микроскоп дает информацию о химическом составе поверхности, ее механических свойствах и толщине покрывающей ее капиллярной пленки. Возможность того или иного способа использования атомно-силового микроскопа зависит во многом от свойств иголки-зонда, с помощью которой проводится эксперимент. Эти иголки могут отличаться по длине, заостренности кончика и материала. Иногда вместо иголок в качестве зонда используют частицы других форм.
В своей новой работе физики из Франции и Гонконга разработали методику, которая позволяет использовать атомно-силовую микроскопию для изучения движущихся клеток. Работа с клетками подразумевает проведение самого эксперимента в водной среде, поэтому для измерений ученые выбрали следующую конфигурацию. В качестве зонда была использована иголка длиной около 150 микрон, что примерно в 10 раз длиннее тех, что используются в стандартных конфигурациях. Такая иголка позволяет погрузить в жидкость только ее нижнюю часть, а место крепления при этом остается на воздухе. Кроме того, для ослабления возможного взаимодействия между иголкой и клеткой, использовалась не металлическая, а стеклянная иголка.
В эксперименте исследуемая клетка помещалась в жидкость, и все измерения проводились в неконтактном режиме: иголка совершала периодические вертикальные колебания непосредственно над исследуемой поверхностью, но никогда касалась ее. В такой конфигурации отклик на колебания зонда со стороны клетки происходит только за счет сопротивления жидкости. Сила гидродинамического сопротивления увеличивается при сближении зонда с клеткой, и по ее величине можно однозначно определить положение поверхности. Кроме того, зависимость силы от расстояния между зондом и исследуемой клеткой дает информацию об упругих свойствах поверхности клетки.
Другой особенностью работы системы было наложение двух частот колебаний иголки. Частота в 50 килогерц использовалась для определения положения клетки, а частота 300 килогерц использовалась для определения ее механических свойств.
Для проверки предложенного механизма авторы работы изучили процесс деления раковых клеток человека HeLa. В результате ученым не только удалось получить трехмерные изображения клеток в процессе деления с высоким разрешением, но и проследить за изменением упругих свойств клеточной мембраны.
Измерения показали, что непосредственно перед делением клеточная мембрана становится очень неоднородной по своим механическим свойствам, а среднее значение ее модуля упругости сильно падает. После деления клеток механические свойства мембраны почти возвращаются к своему начальному уровню. Проведенный эксперимент подтвердил уже известные закономерности об изменении упругих свойств раковых клеток в процессе их деления, и таким образом показал, что использование подобной конфигурации атомно-силового микроскопа: очень длинной иголки и наложения двух колебательных частот — крайне перспективно и для других исследований клеточной механики.
Обычно для исследования клеточной динамики используются различные методы оптической микроскопии с повышенным пространственным и временным разрешением. Пространственное разрешение оптических методов обычно не превосходит 1 микрона, зато они дают возможность с помощью флуоресцентных меток исследовать клеточную динамику в небольших живых организмах, например некоторых насекомых.
Александр Дубов
Устройство необходимо для разгона электронов в линейном ускорителе
Ученые из Института ядерной физики имени Будкера СО РАН создали ключевой элемент будущего источника синхротронного излучения СКИФ — клистрон, устройство, которое будет обеспечивать линейный ускоритель СКИФа током высокой мощности и сверхвысокой частоты, сообщили пресс-службы института и Минобрнауки РФ. Разработка стала вынужденным шагом: ученые планировали закупить клистроны в Японии, но из-за санкций фирма-подрядчик разорвала контракт. Проект «Сибирского кольцевого источника фотонов» (СКИФ) был утвержден в октябре 2019 года. Предполагается, что он будет генерировать синхротронное излучение с энергией фотонов от 1 до 100 килоэлектронвольт, которое будет использоваться для высокоточного рентгеноструктурного анализа, то изучения характера рассеяния излучения в толще образца. Такого рода «просвечивание» необходимо для многих задач в физике твердого тела, для разработки новых материалов, биомедицинских исследований. Подробнее об этом мы писали в материале «Больше синхротронов». Первый элемент СКИФа — линейный ускоритель (линак), который должен будет выдавать поток электронов с энергиями в 200 мегаэлектронвольт. Частицы разгоняются в нем благодаря переменным электрическим полям высокой частоты в СВЧ-резонаторах. В свою очередь, для питания СВЧ-резонаторов нужен электрический ток сверхвысокой частоты. Устройство, которое для этого предназначено, называется клистроном. В апреле 2023 года физики ИЯФа проверили в действии «первую ступень» линака, разогнав в нем электроны до энергии 30 мегаэлектронвольт. Однако, как пояснил N + 1 завлабораторией ИЯФ Алексей Левичев, в этом эксперименте использовался клистрон японской фирмы Canon, который институт успел получить до введения санкций. По его словам, для полноценной работы линака требуется четыре клистрона — три работающих и один резервный. Поскольку клистроны с нужными параметрами выпускают только в США, Франции и Японии, физикам пришлось создавать устройство самостоятельно. Клистрон представляет собой разновидность электронной лампы. В нем есть катод, где формируется поток электронов. Затем этот поток ускоряется и попадает во входной резонатор, где под действием электрического поля он становится дискретным — разбивается на сгустки, которые, в свою очередь, наводят ток сверхвысокой частоты в выходном резонаторе. Затем электроны «ловит» коллектор и цикл повторяется. Таким образом из непрерывного тока получают ток с частотой колебаний около 3 гигагерц. При испытаниях клистрона, созданного в ИЯФе была получена мощность в 50 мегаватт. По словам, директора ИЯФ Павла Логачева, создать собственный клистрон устройство они смогли благодаря благодаря тому, что Национальная ускорительная лаборатория SLAC подарила институту клистрон, и физики научились с ним работать. По его мнению, эта технология в дальнейшем будет востребована для других ускорительных установок в России — для синхротрона, источника комптоновского излучения в Сарове, источника нейтронов в Дубне. По словам Левичева, проект линейного ускорителя разрабатывался под параметры японского клистрона, поэтому собственная их установка в максимально возможной степени соответствует «исходнику». Однако соответствие все же не стопроцентное, поэтому, вероятнее всего, три сибирских клистрона будут основными, а японскому останется роль резервного. Испытания линака со всеми тремя клистронами и на проектной энергии в 200 мегаэлектронвольт сейчас планируются на лето 2024 года, добавил Левичев. Раньше мы рассказывали, как японским ученым удалось увидеть с помощью синхротрона двухщелевую самоинтерференцию одиночных электронов во времени.