Учёные изучили бактериальные клетки с помощью фотоэмиссионной спектроскопии

Российские учёные совместно с международными коллегами впервые применили новый метод, сочетающий визуальные микроскопические наблюдения и регистрацию фотоэмиссионного спектра, для картирования физико-химического состояния поверхности клетки. Исследование проводилось на клетках кишечной палочки Escherichia coli, которые являются перспективным материалом для развития природоподобных технологий. Работа поддержана грантом Российского научного фонда, статья опубликована в журнале Results in Physics.

Контекст и цель исследования

E. coli — одна из лучших моделей для разработки природоподобных технологий, включая создание наноконструкций на основе биологических макромолекул (ДНК, белковых капсул). Эти бактерии производят ферритин-подобные белки Dps, которые накапливают соединения железа (фиксированной формы, размером не более 5 нм) внутри белковой глобулы. Клетки E. coli могут служить «фабрикой» для контролируемого производства и распределения этих белков с неорганическими ядрами. Однако вопросы физико-химического состояния соединений железа и их локальной атомно-электронной структуры внутри бактериальных клеток и на их поверхности оставались открытыми из-за отсутствия универсальных прямых экспериментальных методов, достаточно точных и химически чувствительных для изучения микрочастиц на поверхностях биологических структур.

Метод и результаты

Учёные из Воронежского государственного университета и их коллеги (включая представителей Балтийского федерального университета имени И. Канта) впервые изучили бактериальные клетки с помощью метода фотоэмиссионной электронной микроскопии (PEEM). Этот подход позволил визуально наблюдать отдельные клетки E. coli и потенциально изучать физико-химическое состояние их поверхности. Эффективность метода была подтверждена с помощью комплекса высокоразрешающих методов, включая рентгеновскую фотоэлектронную спектроскопию (XPS) и сканирующую электронную микроскопию (SEM). Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия проводилась с использованием синхротронного излучения накопительного кольца Национального исследовательского центра «Курчатовский институт».

Значение и перспективы

Как отметил руководитель проекта, доцент Сергей Турищев, результаты работы открывают перспективы для более широкого использования PEEM для биоимиджинга клеточных объектов с интегрированными неорганическими наночастицами. Метод позволяет картировать неорганические включения на поверхности клетки — то есть получать информацию о том, какие атомы и в каком состоянии локализованы на мембране бактериальной клетки на микроскопическом уровне.

В будущем исследователи планируют увеличить разрешающую способность этого подхода, чтобы получать точные данные о поверхности одиночных клеток или даже их специфических участках. Кроме того, метод планируется применять не только к бактериальным клеткам с устойчивыми мембранами, но и к эукариотическим клеткам, как отметил доцент Сергей Антипов, руководитель научной группы «Молекулярная биофизика и бионанотехнологии» Школы биомедицины БФУ им. И. Канта.