Гелиевый микроскоп показал «пир» бактериофагов

Физики из Университета Ювяскюля использовали гелиевую микроскопию для детального исследования активности бактериофагов. В этой методике вместо сфокусированного пучка электронов (как в электронном микроскопе) используется пучок ионов гелия. Авторы получили снимки различных стадий инфицирования бактерий вирусами, а также смогли использовать микроскоп для того, чтобы делать микроскопические надрезы на бактериях. В отличие от электронной микроскопии гелиевые исследования не требуют дополнительных манипуляций с образцами, скрывающих часть деталей процесса. Исследование опубликовано в журнале Advanced Biosystems, кратко о нем сообщает Physics World. Также доступен постер авторов с описанием работы и фотографиями.

Главным ограничением для оптической микроскопии является дифракционный предел — он не позволяет сфокусировать пятно света в точку размером меньше половины длины волны. Видимый свет имеет длину волны порядка сотен нанометров, а значит увидеть с помощью обычного микроскопа вирусы и другие наноразмерные объекты практически невозможно. Для этого потребуются волны с меньшей длиной волны — например, электронные пучки (которые проявляют как волновые свойства, так и свойства характерные для частиц). Так как электрон — массивная частица, его длина волны оказывается гораздо короче, чем у света. Это свойство используется в электронных микроскопах. Роль линз в них играют магниты, искажающие траектории частиц. Сфокусированный пучок электронов попадая на поверхность выбивает из нее вторичные электроны, которые и регистрирует прибор. На основе этих данных строится картина поверхности образца.

Но и у электронного микроскопа есть свои ограничения и недостатки. Во-первых, с его помощью можно исследовать лишь проводящие объекты — поэтому биологические образцы приходится покрывать тонкой пленкой металла. Во-вторых, остаются актуальными ограничения разрешения.

Авторы новой работы использовали для визуализации биологических систем более совершенный прибор — микроскоп на ионах гелия. Гелий примерно в четыре тысячи раз массивнее электрона, а значит обладает гораздо меньшей длиной волны. Кроме того, с его помощью можно исследовать и не проводящие электричество объекты. Как и в обычном электронном микроскопе ионы гелия выбивают из образца вторичные электроны, которые регистрирует микроскоп. Помимо разрешения, гелиевый микроскоп позволяет добиться большей глубины резкости в изображении.

Три стадии атаки бактериофага на бактерию: a — прикрепление, b — сжатие ствола, c — выход новых вирионов

В качестве объекта исследования ученые выбрали бактериофаги Т4 — вирусы, способные превращать бактерии в фабрики по производству новых бактериофагов. Эти частицы прочно прикрепляются к стенкам бактерий, например, кишечной палочки, с помощью нитевидных щупалец, после чего прокалывают ее оболочку и впрыскивают внутрь свою ДНК. В результате внутри бактерии начинается синтез белков вируса с вирусной ДНК. Белки путем самосборки формируют новые вирусные частицы, которые потом покидают бактерию и заражают новые организмы. На весь цикл уходит около получаса.

Физики засняли с помощью гелиевого микроскопа все основные стадии процесса — от прикрепления бактериофага к кишечной палочке, до выхода новых вирионов из пораженной бактерии. Кроме того авторы показали, что с помощью пучка ионов можно делать надрезы в образце.

Надрезы в Flavobacterium, сделанные гелиевым пучком.

Бактериофаги — интересный объект и с точки зрения практических применений. Некоторые ученые предполагают, что бактериофаги могут заменить собой антибиотики, к которым у бактерий развивается устойчивость.