Нанотехнологическое сообщество Нанометр, все о нанотехнологиях
на первую страницу Новости Публикации Библиотека Галерея Сообщество Объявления Олимпиада ABC О проекте
 
  регистрация
помощь
 

Да пребудет с вами сила плазмонов!

Ключевые слова:  ГКР, диагностика, наноструктуры, серебро

Автор(ы): А.А.Семенова, Э.Н.Никельшпарг, Е.А.Гудилин, Н.А.Браже

Опубликовал(а):  Гудилин Евгений Алексеевич

23 декабря 2019

Ученые Московского университета приблизились к решению проблем современной медицинской диагностики с использованим единичных клеток и их органелл путем разработки новых неинвазивных оптических методов анализа.

В эпической саге “Звездные войны” в крови джедаев (или ситхов) и прочих выдающихся личностей, как считается, находится очень много мидихлориан — разумной микроскопической формы жизни, находящейся внутри всех живых существ, которая является мифическим посредником между живыми существами и Силой. Наличие большого количества мидихлориан внутри живого существа является совершенно необходимым условием для вступления в орден рыцарей-джедаев (о ситхах сага умалчивает).

На самом деле, в нас и правда есть нечто, что придает нам силу и дает возможность жить. И это – митохондрии, которые выполняют в реальности почти то же самое, что делали в “Звездных войнах” мидихлорианы. Как известно, митохондрии - это органеллы размером около микрона, обычно в эукариотических клетках содержится около 2000 митохондрий, общий объем которых составляет до 25% от общего объема клеток. Митохондрия ограничена гладкой внешней мембраной, однако имеет еще и складчатую внутреннюю мембрану с очень большой поверхностью, складки которой входят в матрикс митохондрий и образуют кристы (см. рисунок). Митохондрии являются генератором универсального топлива (АТФ) для организма за счет окислительного фосфорилирования, а также активно участвуют в превращении пирувата в ацетил-КоА, цитратном цикле, цикле мочевины, синтезе гормонов, поставляют клетке продукты промежуточного метаболизма и помогают поддерживать концентрацию Са2+ в цитоплазме на постоянном низком уровне. Для выполнения основных функций во внутреннюю мембрану митохондрии встроены специальные белковые комплексы, один из которых в процессе своей работы буквально становится похож на вращающую мельницу или ротор наноробота.

В целом, дыхательная (электронтранспортная) цепь митохондрий похожа на осторожное и аккуратное путешествие по лесенке оксилительно–восстановительных реакций и для этого включает в себя три белковых комплекса (комплексы I, III и IV), сукцинатдегидрогеназу (комплекс II) и подвижные молекулы – переносчики, в том числе органический убихинон, обожающий жить и ползать в “жирной” мембране (кофермент Q), и комплекс железа с изменяемой степенью окисления переходного металла, небольшой водорастворимый гемсодержащий белок цитохром с, способный к плаванию в межмембранном пространстве (см. рисунок). АТФ-синтаза (комплекс V), не принимает непосредственного участия в переносе электронов, однако именно она генерирует АТФ за счет градиента протонов. При окислении НАДН + Н+ комплекс I переносит электроны на убихинон. Образующиеся при окислении сукцината, ацил-КоА и других субстратов электроны переносятся на убихинон комплексом II, при этом окисленная форма кофермента Q восстанавливается в ароматический убигидрохинон. Последний переносит электроны в комплекс III, который поставляет их на цитохром с, а он, в свою очередь, переносит электроны на себе к комплексу IV, цитохром с-оксидазе. И вот тут уже цитохром с-оксидаза отдает электроны основному окислителю – молекулярному кислороду. При восстановлении кислорода образуется вода, для чего требуются два протона, поэтому перенос электронов неизбежно сопряжен с возникновением градиента протонов, потому что белковые комплексы вшиты во внутреннюю мембрану, которая сама по себе не пропускает протоны (на то она и мембрана). Перенос протонов должен происходить из матрикса в межмембранное пространство, и лишь АТФ-синтаза позволяет осуществить обратное движение протонов в матрикс, чтобы весь цикл был непрерывен, при этом как раз и формируется АТФ. Перенос протонов помпой (насосом) АТФ-синтазой осуществляется за счет наличия встроенного во внутреннюю мембрану протонного канала и «ручки» (ротора) каталитической части АТФ-синтазы, которая обращена в матрикс митохондрии. "Ствол" этого своеобразного вращающегося насоса образуют полипептиды в протонном канале и часть “ротора”. Цикл перекачки протонов (каталитический цикл) состоит из трех стадий: связывание АДФ, формирование фосфоангидридной связи и освобождение конечных продуктов, включая АТФ. При каждом переносе протона через белковый канал в матрикс все три активных центра на “роторе” катализируют очередную стадию реакции. При этом энергия протонного транспорта прежде всего расходуется на поворот и изменение конформаций субъединиц, из которых и состоит данная “наноэлектромеханическая” система (НЭМС). Очевидно, что достаточно сложно исследовать такую систему без ее разрушения, но ученые Московского университета умудрились сделать и это.

Одним из уникальных семейств методов, которые естественным образом позволяют “увидеть”, что же именно происходит за нежными и чувствительными клеточными мембранами, является спектроскопия гигантского комбинационого рассеяния (ГКР или SERS, Surface-Enhanced Raman Spectroscopy). Этот метод сочетает в себе несколько важных факторов, которые делают его методом выбора для наблюдения за биохимическими и биологическими процессами. Во–первых, этот оптический метод анализа позволяет снизить мощность “потребляемого” в этом методе лазерного излучения более, чем на порядок величины, что позволяет сохранить в целости и сохранности тот биологических объект, который подвергается изучению. Во–вторых, чувствительность ГКР такова, что позволяет получить спектральные характеристики от отдельных молекул, поскольку коэффициенты усиления колебательных спектров достигают миллионов и миллиардов раз в присутствии плазмонных наноструктур. При правильной наноструктуре ГКР работает хорошо, без наноструктур метод не работает вовсе, потому что металлические наноструктуры (серебро, золото) в силу своих физических особенностей “концентрируют” электромагнитное поле вблизи своей поверхности при воздействии лазерного излучения. Эта особенность означает, что ГКР может почувствовать молекулы и биомолекулы в предельно низких концентрациях, то есть дает, собственно, возможности мониторинга различных интермедиатов биохимических процессов, следы которых сложно обнаружить какими–либо другими методами, в том числе тех процессов, которые протекают в живых клетках. В–третьих, при использовании ГКР в ряде случаев возможна оценка численных значений концентраций молекул на уровне наномолярных концентраций, и главное, на выходе получается спектр, то есть запись всех возможных, разрешенных, колебаний, позволяющих не только достоверно опознать молекулу, в том числе по колебаниям в области “отпечатков пальцев” (fingerprints) молекулы, но и получить информацию о ее конформации (структуре), которая может меняться закономерным образом в биологических процессах. В–четвертых, для реализации метода ГКР совсем не обязательно осуществлять прямой физический контакт. Существенное усиление спектральных характеристик происходит на расстояниях вплоть до 10 – 15 нм от поверхности наноструктуры. С учетом того, что это расстояние сопоставимо с толщинами мембран различных клеток и клеточных органелл у животных и человека, становится возможной неинвазивная трансмембранная диагностика таких биологических структур.

В ходе выполнения проекта РФФИ (17-03-01067) было вновь успешно показано, что серебряные наноструктурированные поверхности позволяют получать спектры ГКР от различных биологических объектов в широком спектральном диапазоне при различном лазерном возбуждении с длинами волн 488, 514, 532 и 633 нм. Такая универсальность полученных наноматериалов объясняется их особой иерархической структурой, что также обеспечивает хорошую адгезию различных биообъектов, включая клетки и органоиды. При использовании лазерного возбуждения с длинами волн 488, 514 и 532 нм от разбавленной суспензии митохондрий, помещенной на наноструктуры серебра, можно зарегистрировать интенсивные спектры ГКР, соответствующие спектру ГКР гема цитохрома С дыхательной (электрон-транспортной, ЭТЦ) цепи митохондрий. При этом другие цитохромы ЭТЦ не вносят вклад в ГКР спектр суспензии митохондрий, что связано с большим расстоянием от них до поверхности наноструктур и отсутствием усиления сигнала КР за счет плазмонного резонанса. В случае лазера 488 нм наиболее интенсивными пиками являются пики, соответствующие симметричным колебаниям колец пирролов и плоскостным колебаниям метиновых мостиков, соответственно, в окисленном цитохроме С. При этом, лазерное возбуждение 488 нм приводит к появлению спектра ГКР с наиболее выраженным пиком с положением максимума 1370 см-1 в случае отсутствия субстратов ЭТЦ митохондрий, однако при внесении субстратов – малата, пирувата, сукцината – и АДФ, необходимого для синтеза АТФ на АТФ-синтазе митохондрий происходит существенное увеличение интенсивности пика с положением максимума 1580 см-1, который по интенсивности становится больше пика 1370 см-1. Такие изменения спектра говорят об изменении конформации гема цитохрома С в работающей ЭТЦ митохондрий. В условиях, когда межмембранное пространство митохондрий уменьшено за счет набухания матрикса при внесении субстратов ЭТЦ и инициации синтеза АТФ можно наблюдать появление низкоинтенсивного плеча на 1350 см-1, которое связано с симметричными колебаниями пиррольных колец в восстановленном геме цитохрома С.

Для того, чтобы изучить изменения конформации гема цитохрома С при развитии сердечно-сосудистых заболеваний, был проведен анализ групп лабораторных крыс с гипертонией на начальной стадии развития и с выраженными патологическими изменениями. При ранней стадии развития артериальной гипертонии по сравнению со здоровыми крысами не наблюдалось увеличения образования АФК и продуктов перекисного окисления липидов в митохондриях, выделенных из кардиомиоцитов, что свидетельствует об отсутствии выраженного окислительного стресса в сердечных мышцах. При поздней стадии развития артериальной гипертонии наблюдали незначительное увеличение образования продуктов перекисного окисления липидов митохондрий кардиомиоцитов по сравнению со здоровыми контрольными животными. При этом, в спектрах ГКР митохондрий кардиомиоцитов больных крыс наблюдалось бОльшее увеличение относительной интенсивности пика 1638-1640 см-1 по сравнению с пиком 1371 см-1, чем в спектрах ГКР митохондрий здоровых крыс. Возможно, появление цитохрома С с гемом в плоской конформации у животных с артериальной гипертонией в поздней стадии развития является адаптивным механизмом, позволяющим оптимизовать работу ЭТЦ и перенос электронов для того, чтобы поддерживать нужный синтез АТФ.

Таким образом, статистический анализ соотношений интенсивностей пиков ГКР в спектрах интактных органелл помогает выявить признаки патологических и/или адаптационных изменений в свойствах и функционировании митохондрий и тем самым сделать шаг на пути к новым типам будушей медицинской диагностики.

Работа поддержана РФФИ (проект 17-03-01067).


В статье использованы материалы: РФФИ


Средний балл: 10.0 (голосов 2)

 



Для того чтобы оставить комментарий или оценить данную публикацию Вам необходимо войти на сайт под своим логином и паролем. Зарегистрироваться можно здесь

 

Только ножки торчат
Только ножки торчат

Международная онлайн-дискуссия «Квант будущего»
Фонд Росконгресс, Госкорпорация «Росатом», Российский квантовый центр и научно-популярное издание N+1 завершают серию международных онлайн-дискуссий «Квант будущего», где лидеры индустрии и ведущие мировые ученые обсуждают, как квантовые технологии уже изменили наш мир, и с какими вызовами помогут справиться в будущем.
Заключительная дискуссия «Квантовая революция: профессии будущего и трансформация образования» состоится 8 июля в 17:00 по московскому времени.

Перст-дайджест
В новом выпуске бюллетеня «ПерсТ»: Супергибридный материал для хранения водорода. Двумерная соль. Существование виртуальных мультиферроиков подтверждено. Чёрные бабочки. Служение науке и немного поэзии.

Конкурс микрофотографий ZEISS Perspectives
Приглашаем специалистов, работающих с микроскопами ZEISS, Bruker, WITec принять участие в конкурсе микрофотографий ZEISS Russia&CIS «Перспективы».

Академия - университетам
Е.А.Гудилин, Ю.Г.Горбунова, С.Н.Калмыков
Российская Академия Наук и Московский университет во время пандемии реализовали пилотную часть проекта "Академия – университетам: химия и науки о материалах в эпоху пандемии". За летний период планируется провести работу по подключению к проекту новых ВУЗов, институтов РАН, профессоров РАН, а также по взаимодействию с новыми уникальными лекторами для развития структурированного сетевого образовательного проекта "Академия - университетам".

Материалы к защитам выпускных квалификационных работ бакалавров ФНМ МГУ 2020
Коллектив авторов
Защиты выпускных квалификационных работ (квалификация – бакалавр материаловедения) по направлению 04.03.02 - «химия, физика и механика материалов» на Факультете наук о материалах МГУ имени М.В.Ломоносова состоятся 16, 17, 18 и 19 июня 2020 г.

Материалы к защитам магистерских квалификационных работ на ФНМ МГУ в 2020 году
коллектив авторов
2 - 5 июня пройдут защиты магистерских диссертаций выпускниками Факультета наук о материалах МГУ имени М.В.Ломоносова.

Технонано

Технопредпринимательство - идея, которая принесет свои плоды при бережном культивировании и взращивании. И наша наноолимпиада, и Наноград от Школьной Лиги РОСНАНО, и проект Стемфорд, и другие замечательные инициативы - важные шаги на пути реализации этой и других идей, связанных с развитием новых высоких технологий в нашей стране и привлечением молодых талантов в эту вполне стратегическую область. Ниже приведен небольшой опрос, который позволит и нам, и вам понять, а что все же значит этот модный термин, и какова его суть.

Технопредпринимательство на марше

Мы традиционно просим вас высказать свои краткие суждения по вопросу технопредпринимательства и проектной деятельности школьников. Для нас очевидно, что под технопредпринимательством и под проектной деятельностью школьников каждый понимает свое, но нам интересно ваше мнение, заодно вы сможете увидеть по мере прохождения опроса, насколько оно совпадает или отличается от мнения остальных. Ждем ваших ответов!

О наноолимпиаде замолвите слово...

Прошла XII Всероссийская олимпиада "Нанотехнологии - прорыв в Будущее!" Мы надеемся, что нам для улучшения организации последующих наноолимпиад поможет электронное анкетирование. Мы ждем Ваших замечаний, пожеланий, предложений. Спасибо заранее!



 
Сайт создан в 2006 году совместными усилиями группы сотрудников и выпускников ФНМ МГУ.
Сайт модернизирован для ресурсной поддержки проектной деятельности учащихся в рамках ГК 16.647.12.2059 (МОН РФ)
Частичное или полное копирование материалов сайта возможно. Но прежде чем это делать ознакомьтесь с инструкцией.