Как выглядят вирусы и бактерии
Все о вирусах и бактериях простыми словами
Вирусы, микробы, бактерии – что это такое?
Вирусы
Говоря строго, вирусы — это не совсем существа: ученые называют их неклеточной формой жизни или даже организмами на границе живого. Все потому, что вирусы 1 не обладают важным свойством живого — клеточным строением, которое есть у всех животных, растений, грибов и бактерий. Они не имеют собственного обмена веществ, поэтому не могут жить сами по себе. Для существования им всегда нужен другой организм, по сути, вирусы являются внутриклеточными паразитами.
Размеры вирусов колеблются от 20 до 350 нм (нанометр – одна миллионная миллиметра). Самые мелкие — парвовирусы, которые вызывают заболевания животных: всего 18 нм в диаметре. Вирусы гриппа побольше: 80–120 нм. А возбудители оспы и трахомы совсем «великаны»: достигают 300 нм, и их даже можно рассмотреть в обычный световой микроскоп (а чтобы увидеть более мелкие вирусы, необходим уже электронный).
Хотя вирусные заболевания преследовали людей во все времена, сами вирусы открыты совсем недавно по историческим меркам: их существование подтвердил в 1892 году русский микробиолог Дмитрий Ивановский. В студенчестве он изучал болезни растений и заинтересовался природой мозаичной болезни табака. Через несколько лет опытов Ивановский сумел разглядеть в световой микроскоп скопления возбудителя этой болезни, после чего он рассказал о своих изысканий в статье. А первого возбудителя вирусного заболевания человека — желтой лихорадки — обнаружили только в 1901 году. И только в 1937-м получилось разработать вакцину от нее, а ведь эта болезнь убивала людей несколько веков! С момента открытия вирусы активно изучаются, но большая их часть все еще даже не систематизирована. А ведь регулярно появляются новые вирусы! При этом даже нет единой гипотезы, как произошли вирусы, с которой были бы согласны все вирусологи. Одни считают их потомками доклеточных форм жизни, другие — «сбежавшими» генетическими структурами, которые отвоевали себе немного независимости от клеток. Зато уже подсчитано количество всех вирусов на планете: 10 в 39 степени — это больше, чем звезд во Вселенной. Прежде чем получить такое число, ученые выяснили, 2 что каждый день на квадратном метре нижнего слоя земной атмосферы скапливается более 800 млн вирусов.
Вирусы устроены очень лаконично — из-за этого ученые когда-то считали их инертными кристаллами. Эти «кристаллы» по-разному выглядят внешне — могут быть шарообразными, спиралевидными, продолговатыми. Но, по сути, любые вирусы — это просто оболочка, внутри которой находится генетический материал в виде молекул ДНК или РНК. Это «или» — важное отличие вируса от нас, живых существ: в наших клетках всегда имеется и то, и другое: и ДНК, и РНК. А вот что у нас с вирусом общее, так это стремление размножить свой генетический материал. Для этого вирусы и должны попасть в живую клетку. Бывает, что вирусный геном просто встраивается в хозяйскую ДНК, и могут пройти годы, прежде чем вирус «проснется». А если вирус попал в половые клетки и интегрировался в хромосомы, то он будет передаваться и потомкам хозяина. В человеческом геноме очень много таких включений (примерно 8%), полученных миллионы лет назад в ходе эволюции. Некоторые из них постепенно разрушаются, а другие оказались полезными для нас и участвуют в физиологических процессах. Например, в 2018 году ученые выяснили, 3 что важнейшую роль в формировании нашей долговременной памяти играет ген вирусного происхождения.
Но что, если вирус прятаться не хочет, а жаждет деятельности? Тогда его генетический материал фактически перехватывает командование в живой клетке: заставляет множить свои копии, которые проникают во все новые и новые ткани и органы. И во время этой «штамповки» происходит процесс, благодаря которому вирусы и приобрели репутацию коварных убийц. Новые вирусы не получаются 100-процентными копиями — какая-нибудь да выходит с «ошибкой», т. е. слегка измененным геномом. Это вирусные мутации, которые помогают микроорганизму выживать, несмотря на усилия организма, который активно сражается с инфекцией. Из-за мутаций вирусы могут выглядеть иначе и обманывать иммунную систему — ей приходится заново с ним знакомиться и разрабатывать стратегию борьбы. Такой уловкой активно пользуются вирусы гриппа, которые мутируют непрерывно и каждый год приходят к нам в виде новых штаммов. Но самая удачная ситуация для вируса — оказаться в одной клетке со своими «коллегами» другого вида: например, когда встречаются вирусы человека, птицы и обезьяны. Тогда они могут обменяться целыми кусками генома, и в результате получится принципиально новый штамм, мощный и опасный мутант, которого не остановят даже межвидовые барьеры — он сможет сначала заразить животное, а потом человека. Такие вирусные эксперименты, как правило, случаются в жарких перенаселенных странах, где все не очень хорошо с санитарией, а люди чаще контактируют с дикими и сельскохозяйственными животными. Поэтому мы так часто слышим, что в Юго-Восточной Азии вспыхнула новая инфекция.
Бактерии
В отличие от вирусов, бактерии — самые что ни на есть живые организмы, хотя и тоже очень маленькие (длиной до 10 мкм, то есть одной сотой метра). Они одноклеточные, но одна эта клетка может имеет разные формы: бактерии бывают круглыми, в виде палочек, звездочек или кубиков, есть даже гофрированные и С-образной формы. По строению бактерии сложнее, чем вирусы — у них есть клеточная стенка, внутриклеточные структуры, органеллы, жгутики для передвижения. Они самостоятельно живут и размножаются (с помощью простого деления).
Бактерии — одни из первых обитателей Земли, и они же самые вездесущие — их находят даже там, где вообще никому не выжить. Бактериям не страшен ни холод, ни кислые источники, где температура воды почти 100° С. Они живут и в Мертвом море, и в нижнем слое стратосферы, и в Марианской впадине, и даже в радиоактивных отходах. Учеными описано примерно 10 тыс. видов бактерий, но на самом деле их гораздо больше. Первым бактерии увидел голландский ученый Антони ван Левенгук в 1676 году. Он хотел выяснить, почему жгучий перец раздражает язык, и решил изучить перечную настойку под микроскопом. Каково же было удивление натуралиста, когда в крошечной капле он увидел движущихся существ! Левенгук назвал их «анимакули» и стал искать повсюду: в дождевой воде, на одежде, в соскобе с собственных зубов. О своих наблюдениях он рассказал в письме к Лондонскому королевскому обществу по развитию знаний о природе. Но настоящий интерес к открытию Левенгука проснулся гораздо позже, ближе к середине XIX века, когда начала развиваться клеточная теория.
Микробы
Когда вы говорите ребенку, что вокруг полно микробов, вы не ошибаетесь. Микробы, или микроорганизмы — это собирательное название всего живого, что меньше 0,1 мм и не видно невооруженным глазом. К ним относят простейших (микроскопических одноклеточных животных), бактерий и крошечные грибки, а также вирусы (с этим согласны не все ученые, т. к. вирусы — все же не живые организмы). В термине «микроб» объединились греческое μικρό (маленький) и βίος — жизнь. Большинство микробов состоят из одной клетки, но есть среди них и многоклеточные.
Что опаснее — вирусы или бактерии?
А вот на этот вопрос ответить невозможно: вирусы и бактерии могут быть и опасными, и безвредными в зависимости от ситуации. Большинство людей спокойно переносят сезонный грипп — ежегодные вирусные заболевания, но в начале ХХ века испанский грипп унес, по разным оценкам, 3-5% населения Земли. Страшные эпидемии прошлого — чума, холера, оспа — вызывались бактериями, но мы спокойно контактируем с миллионами других бактерий каждый день. Новая коронавирусная инфекция к началу июля 2021 года охватила уже более 182 млн человек во всем мире, при этом практика показывает, что, будучи по началу высокопатогенными, новые вирусы со временем становятся менее опасными. Как видите, опасность, которую несут вирусы или бактерии, зависит от их «видовых» характеристик. Что же касается противостояния вирусам и бактериям, в обоих случаях есть сложности.
Бороться с опасными бактериями люди тоже давно научились — с помощью антибиотиков (обратите внимание: на вирусы они не действуют, поскольку разработаны для совершенно иной формы жизни!). Но тут другая проблема: к ним у бактерий со временем вырабатывается устойчивость. И чем чаще мы их используем, тем больше становится бактерий, которые к ним совсем не чувствительны. Например, к пенициллину, с которого когда-то и началась история антибиотиков, сегодня бактерии уже равнодушны. А прошло все 80 лет с момента его первого применения. Новые антибиотики тоже разрабатываются, но это очень долгий и дорогой процесс, поэтому чаще модифицируются уже имеющиеся лекарства.
Какие болезни вызываются вирусами?
Какие болезни вызываются бактериями?
Как и вирусы, бактерии 5 могут быть безопасными для живых организмов или болезнетворными. Такие бактерии-паразиты попадают в организм и начинают питаться за его счет, активно размножаются, повреждая клетки и отравляя их продуктами своей жизнедеятельности. Так и начинается заболевание. У человека бактерии вызывают туберкулез, коклюш, менингит, чуму, тиф, столбняк, холеру, дифтерию, фурункулез, стрептококковую ангину. У животных — бруцеллез, сибирскую язву. У растений подобная инфекция вызывает гнили, ожоги, пятнистости, увядание. Но полезных бактерий все-таки тоже гораздо больше. Например, миллионы бактерий населяют наш кишечник, кожу, даже дыхательные пути. Они называются микробиотой, и ее баланс очень важен для сохранения здоровья: она создает условия, в которых вредные микроорганизмы жить не смогут. Две группы таких бактерий вы точно знаете: это бифидо- и лактобактерии, которые живут в кишечнике.
Как уберечься от вирусов и бактерий?
Мир населен огромным количеством бактерий и вирусов, и избавиться от них полностью невозможно, да и неразумно — ведь без них не сможем существовать и мы сами. Но предотвратить вирусное или бактериальное заболевание в повседневной жизни возможно. Надо только придерживаться правил:
Справочно-информационный материал
Бактериальная и вирусная инфекции: в чем отличие?
Если обратиться к статистике, то инфекции – самая частая причина обращения за медицинской помощью. Спровоцировать их могут различные патогены: вирусы, бактерии, грибки и др. Вирусы и бактерии могут стать причиной клинически схожих инфекций, но ситуации требуют разного лечения. Чем бактериальная и вирусная инфекция отличаются?
Основы микробиологии
Бактерии – одноклеточные микроорганизмы, поражающие разнообразием. Они имеют множество форм и особенностей, некоторые из них способны выживать в немыслимых условиях.
Человеческий микробиом насчитывает сотни видов бактерий и каждый выполняет определенные функции, например, сдерживают рост патогенных микроорганизмов, поддерживают обменные процессы и многое другое. Известно, что лишь 1% бактерий вызывают болезни.
Вирусы – еще меньше чем бактерии, для нормальной жизнедеятельности нуждаются в клетках хозяина, где они могут жить и развиваться. Некоторые вирусы могут уничтожать клетки, где они развиваются.
Способы передачи
В путях передачи инфекций много общего. Основной путь передачи — от человека к человеку при близком контакте, например, при поцелуях.
Контакт с биологическими жидкостями человека, например, во время полового акта, при кашле и чихании. Так передаются не только вирусные инфекции, например, ВИЧ, ОРВИ и новая коронавирусная инфекция, но и бактериальные. Некоторые вирусы и бактерии передаются при соприкосновении с зараженными поверхностями, где вирусы и бактерии живут в биологических средах. Еще один возможный путь передачи — при укусах животных и насекомых.
Клиническая картина
Вирусы и бактерии вызывают схожие болезни по симптомам: лихорадка, насморк, кашель, головная боль, слабость и снижение работоспособности. Но при детальном рассмотрении и изучении найдется и масса отличий, которые заметит только врач.
Вирусные инфекции распространены в большей степени, поэтому, при появлении симптомов, часто предполагают именно ее. Дифференцировать одно от другого помогают следующие отличия и критерии:
Вирусные инфекции могут поражать здорового человека, а вот бактериальные развиваются на фоне ослабленного иммунитета или же являются осложнением перенесенного заболевания.
Конечно, главное отличие – способы и методы специфического лечения. Антибиотики никак не действуют на вирусы, а противовирусные на бактерии.
Особенности диагностики
В медицине существует такое понятие, как дифференциальный диагноз – методы диагностики, которые помогут отличить одно заболевание от другого со схожей клинической картиной. Бактериальные и вирусные инфекции способны вызывать респираторные заболевания, и чтобы определить причину, проводят дифференциальный диагноз – анализ симптомов.
Например, выделения из носа при вирусных инфекциях жидкие, прозрачные, часто носят серозный характер. А вот при бактериальных – густые, могут иметь желтый или зеленый оттенок, что говорит о наличии гнойного процесса.
Естественной реакцией организма на проникновение вируса или бактерии является повышение температуры тела. При вирусной инфекции температура повышается резко и быстро,может держаться несколько дней. При бактериальной инфекции — постепенно и начало болезни сложно проследить.
При вирусных инфекциях сложно определить область поражения. Пациенты отмечают, что болит сразу все: горло, грудь, мышцы, голова. Однако при бактериальной инфекции легко определить область поражения: болит горло при ангине, боль в груди при бронхите, боль при мочеиспускании при циститах и др.
Длительность болезни также варьируется. Например, при вирусной инфекции улучшение наступает на 5-7 день болезни, а вот бактериальные инфекции протекают длительнее.
Особенности диагностики
В большинстве случаев, поставить предварительный диагноз удается на основе жалоб, внешнего и инструментального осмотра. Некоторые вирусные и бактериальные инфекции имеют весьма специфичные симптомы. При постановке диагноза учитывают еще и данные об эпидемиологической обстановке.
Но все же чаще при бактериальных инфекциях требуются дополнительные методы обследования, в том числе и лабораторные. В соответствии с этим, врач обязательно назначает следующие анализы:
При бактериальных инфекциях такие исследования проводятся с целью определения вида возбудителя, а также его антибиотикочувствительности.
Особенности лечения
Вирусные и бактериальные инфекции – совершенно разные диагнозы, имеющие особенности клинического течения, а также лечения. И, в случае ошибки при назначении лечения, повышается вероятность осложнений, развития основного заболевания. Иногда это представляет угрозу для здоровья и жизни.
Лечение бактериальных инфекций
Антибиотики – группа лекарств, назначаемых исключительно при лечении бактериальных инфекций. Существует разные виды антибиотиков, которые направленно действуют на бактерии определенного класса или же широкого спектра. При формировании острых заболеваний с серьезным и быстрым течением могут назначаться антибиотики широкого спектра действия, а после, когда результаты по определению антибиотикочувствительности дадут результат, могут назначаться узкоспециализированные лекарства.
Неконтролируемый, необоснованный прием антибиотиков, когда пациент бросает их пить раньше срока, это может привести к формированию антибиотикоустойчивой флоры и в дальнейшем лечение окажется неэффективным.
Лечение вирусных инфекций
Для многих вирусных инфекций нет специфического лечения. Обычно разрабатывается симптоматическое, направленное на устранение симптомов, снижения температуры. Но все же лечение определяется конкретным вирусом и болезнью, которое он спровоцировал.
При вирусных инфекциях врач назначает противовирусные препараты, которые подавляют жизненный цикл некоторых вирусов.
Ну и главное, стоит помнить, что некоторые серьезные бактериальные и вирусные инфекции можно предотвратить при помощи вакцинации.
Бактерии и вирусы: умейте различать
Бактерии и вирусы: умейте различать
Бактерии и вирусы нередко путают друг с другом. Особенно в период эпидемии гриппа, когда неприятные симптомы этого заболевания пытаются «сбивать» антибиотиками.
Давайте разбираться, кто такие бактерии, чем они отличаются от вирусов и почему их не стоит путать.
Что такое вирусы?
Эти микроскопические частицы состоят из генетического вещества (молекул ДНК или РНК), которое окружено защитным слоем белка.
Вирусы не могут размножаться вне тела хозяина. Чтобы воспроизводиться, вирусу надо внедриться в чужую клетку и задействовать ее ресурсы.
Самый удобный путь для проникновения вирусов в организм – слизистые оболочки. Например, такие, как в дыхательных путях. Они становятся особенно уязвимы, если хронически воспалены или повреждены тем же курением.
Что такое бактерии?
Бактерии – это одноклеточные организмы, которые могут размножаться сами по себе при помощи деления. Они способны воспроизводиться как в теле человека, так и в окружающей среде. Большинство из них совершенно безвредны для людей, а некоторые, например, лактобактерии, очень полезны.
Тем не менее, существуют бактерии, способные вызывать болезни. Одни эволюционировали, чтобы жить за счет ресурсов человеческого организма, другие – оказываются не «на своем месте».
Так, например, чрезмерное увлечение антибактериальным мылом лишает кожу бактерий-защитников и дает шансы на размножение тех, что вызывают повреждение кожи.
Как они распространяются?
Несмотря на различия, вирусы и бактерии распространяются примерно одинаково:
— воздушно-капельным путем: при кашле или чихании,
— с кожи на кожу: при прикосновениях и рукопожатиях,
— с кожи на продукты: при прикосновениях к пище грязными руками вирусы и бактерии могут попасть в кишечник,
— через жидкости организма: кровь, сперму и слюну. Половым путем или через грязный шприц активнее всего распространяются вирусы: ВИЧ и гепатит.
Как избежать заражения?
1. Самый банальный и действенный совет – мойте руки. Эта нехитрая процедура уберегает даже от обычного гриппа.
2. Готовую пищу ставьте в холодильник сразу после того, как она остынет, особенно летом. Бактерии в тепле размножаются с особой интенсивностью.
3. Тщательно готовьте мясо или рыбу. В толще мышечных волокон бактерии не обитают, но вот поверхность куска всегда ими загрязнена. Запомните, что даже загрязненная бактериями пища может вполне аппетитно пахнуть.
4. Всегда используйте презервативы во время полового акта. Он неплохо защищает от вирусной инфекции, передающейся половым путем.
Как лечат бактериальные инфекции?
Если иммунная система человека не может самостоятельно справиться с бактериями – врачи применяют антибиотики. Они убивают самих «захватчиков», а вот с последствиями их разрушительной деятельностью организм борется либо сам, либо с помощью других лекарственных препаратов.
Разные антибиотики предназначены для разных бактерий. Чтобы применить нужное средство, специалист должен знать, с каким видом надо бороться.
Для этого сдаются анализы, например, мазок из горла или проба мочи. Применение антибиотика наугад приводит к тому, что бактерии продолжают жить, размножаться и вредить здоровью.
Важно: злоупотребление антибиотиками снижает их эффективность, стимулируя рост устойчивых к антибиотикам бактерий.
Как лечат вирусные инфекции?
Вирусы практически невозможно «достать», пока они находятся внутри клеток организма. Поэтому лечение многих вирусных инфекций остается прерогативой собственной иммунной системы человека. Врачи могут лишь порекомендовать средства, которые помогут в борьбе с последствиями жизнедеятельности вирусов.
«Научить» иммунную систему распознавать и убивать вирусы может помочь вакцинирование.
Кроме того, в настоящее время разрабатывается большое количество противовирусных препаратов. Они мешают вирусу размножаться и снижают нагрузку на иммунную систему. К сожалению, эти средства могут быть использованы только для ограниченного количества вирусов и не слишком эффективны.
Бактерии VS Вирус. Что нужно знать?
Чем вирус отличается от бактерии?
Казалось бы, оба являются возбудителями заболеваний. Однако разница колоссальная! Бактерии – это одноклеточные живые организмы, способные обеспечить все этапы своей жизнедеятельности самостоятельно. А вирусы – это паразиты. Они не могут выживать сами по себе, поэтому вирусы используют чужие клетки (человеческие, клетки животных и даже растений). А пока вирус находится вне живой клетки, он существует в виде вирусной частицы. И, в отличие от бактериальной клетки, строение вирусной частицы предельно простое: генетический материал (ДНК или РНК) и защитная оболочка.
Как работает вирус?
Вирусы не могут размножаться клеточным делением, поэтому они используют живые клетки для производства своих новых копии. Для осуществления своего «коварного плана» вирусу сначала необходимо прикрепиться на поверхности клетки-хозяина, происходит это посредством образования специфической связи между белками вирусной оболочки и рецепторами на поверхности живой клетки-хозяина. Далее вирус проникает в клетку, высвобождает свою ДНК или РНК. Затем происходит увеличение копий этого генетического материала, сборка новых вирусных частиц и выход вируса из клетки.
Почему появился новый вирус?
Генетические изменения у вирусов могут происходить по разным причинам. И иногда эти изменения позволят получить преимущества. Например, устойчивость к противовирусным препаратам. В данном случае предполагается, что изначальным носителем были летучие мыши. Тогда почему корона вирусом начали болеть люди? Произошла мутация (генетическое изменение), которая позволила вирусу атаковать человеческие клетки.
Что поможет противостоять пандемии?
В настоящее время лаборатории по всему миру проводят разработки и исследования не только лекарственных препаратов против нового вируса, но и вакцины.
Пожалуйста, соблюдайте все меры безопасности!
Берегите себя, своих родных и близких!
Вирус под микроскопом: от визуализации к манипуляции
Вирусы являются чрезвычайно малыми объектами, имеющими размер от нескольких десятков до нескольких сотен нанометров. Первым и на несколько десятилетий единственным методом их визуализации стала электронная микроскопия, позволившая не только подробно изучить строение самих вирусных частиц, называемых вирионами, но и исследовать процессы, происходящие в зараженной клетке — репликацию вируса. «Монополия» электронной микроскопии была нарушена появлением в начале 1980-х годов принципиально нового класса приборов — сканирующих зондовых микроскопов.
Относящийся к данному классу атомно-силовой микроскоп оказался инструментом, подходящим для исследования биологических объектов и позволил не только визуализировать наноразмерные структуры, но и манипулировать ими. В частности, принципиально возможной оказалась манипуляция одиночными вирионами и прямое измерение сил, возникающих при их контакте с поверхностью клетки. Такие эксперименты позволяют получать подробные данные о самом первом и во многих случаях еще недостаточно исследованном этапе заражения клетки — адгезии вируса к ее поверхности. Данные исследования представляют и значительный практический интерес, т.к. могут дать ключ к созданию эффективных противовирусных препаратов, защищающих клетки от проникновения вирусов.
Об авторе
Денис Владимирович Корнеев — научный сотрудник лаборатории ультраструктурных исследований, председатель Совета молодых ученых Государственного научного центра вирусологии и биотехнологии «Вектор» (Новосибирская область, Кольцово). Автор и соавтор 11 научных работ.
В известной песне Владимира Высоцкого поется: «. не поймаешь нейтрино за бороду / И не посадишь в пробирку. ». Конечно, вирус — это не нейтрино, не атом и даже не молекула, но все же объект настолько малый, что его невозможно увидеть не только глазом, но и в обычный световой микроскоп. Однако электронная микроскопия, в сотни тысяч раз увеличившая возможности нашего зрения, позволила не только увидеть эти удивительные объекты, но и рассмотреть их до мельчайших подробностей. А атомно-силовая микроскопия, в такой же степени обострившая наше осязание, позволила осуществить прямую механическую манипуляцию вирусными частицами.
Вирусы являются чрезвычайно малыми объектами — их размеры лежат в диапазоне от нескольких десятков до нескольких сотен нанометров. Первым и на долгое время единственным методом прямой визуализации наноразмерных частиц стала электронная микроскопия (ЭМ), которая начала развиваться в 1930-е гг. Метод, оказавшийся очень информативным, позволил не только детально охарактеризовать структуру различных вирусов, но и исследовать процессы, происходящие в зараженной клетке.
Оказалось, что форма вирусных частиц отличается большим разнообразием: от правильных сфер до сложных структур, напоминающих кирпичи, обклеенные трубочками (вирус натуральной оспы), или щетинистых червей (вирус геморрагической лихорадки Эбола).
Еще большее разнообразие было обнаружено для стратегии репликации (размножения) вирусов. Единственным фундаментальным свойством, общим для всех без исключения вирусов, оказался их статус облигатного внутриклеточного паразита. Это означает, что для размножения вируса его генетический материал должен в обязательном порядке проникнуть в живую клетку и «захватить» ее ферментативный аппарат, переключив последний на производство копий вируса.
Вне клетки любой вирус является всего лишь молекулярным контейнером с генетическим материалом (ДНК или РНК) и вряд ли может считаться полноценным живым организмом, хотя по этому вопросу в научной среде до сих пор нет окончательной терминологической определенности.
Так, исследование репликации вируса методом просвечивающей электронной микроскопии на ультратонких срезах выглядит следующим образом: зараженные клетки обрабатывают фиксирующим раствором, обезвоживают спиртом и заливают специальной смолой. После отвердевания смолы с помощью специального прибора — ультратома — делают ультратонкие (≈ 50 нм) срезы, которые затем наносят на специальную сетку и обрабатывают растворами солей тяжелых металлов. Во время самого микроскопического исследования образец находится в вакуумной камере и подвергается действию пучка электронов с энергией в несколько десятков кэВ. Очевидно, что прижизненная визуализация в данном случае принципиально невозможна.
В течение почти полувека электронная микроскопия оставалась единственным методом визуализации наноразмерных объектов. Однако в начале 1980-х гг. эта монополия была нарушена появлением сканирующей зондовой микроскопии (СЗМ). Основным принципом СЗМ является сканирование — прецизионное (с высокой точностью) перемещение зонда вблизи исследуемой поверхности, сопряженное с отслеживанием определенного параметра, характеризующего взаимодействие между зондом и образцом. Результатом такого сканирования является топографическая карта рельефа поверхности образца.
Первым прибором СЗМ стал сканирующий туннельный микроскоп (СТМ), который мог лишь весьма ограниченно использоваться для визуализации биологических объектов, так как для его работы требовалась высокая электрическая проводимость исследуемой поверхности.
В 1986 г. швейцарский физик Г. Бинниг и его коллеги создали новый прибор семейства СЗМ — атомно-силовой микроскоп (АСМ). В основе его работы лежит силовое (Ван-дер-Ваальсово) взаимодействие атомов зонда и поверхности. АСМ не требуется электрическая проводимость поверхности образца, и он может осуществлять съемку в жидкой среде. Поэтому этот прибор оказался удобным инструментом для исследования биологических объектов.
Принципиальная схема работы атомно-силового микроскопа (АСМ). Чувствительным элементом АСМ является упругая консоль (кантилевер), на конце которой закреплен острый зонд. Силы, возникающие между атомами острия зонда и исследуемой поверхностью приводят к деформации кантилевера, которая в свою очередь фиксируется при помощи оптической системы, реализованной в большинстве современных АСМ на основе полупроводникового лазера и четырехсекционного фотоприемника. Размер кантилевера — 100÷300 × 20÷40 мкм при толщине около 2 мкм. Высота зонда — около 10 мкм
С момента появления атомно-силового микроскопа было опубликовано огромное число работ, посвященных АСМ-визуализации самых разнообразных биологических образцов. Следует все же признать, что в большинстве случаев в плане визуализации АСМ не дает ничего принципиально нового в сравнении с обычной электронной микроскопией, поэтому зачастую данный метод воспринимается биологами как техническая экзотика, а не как полноценный исследовательский инструмент.
Однако важнейшим, пусть и почти единственным преимуществом визуализации биологических объектов при помощи АСМ по сравнению с электронной микроскопией является возможность выполнения исследований нативных, природных образцов без какой-либо фиксации и специальной пробоподготовки, при физиологических параметрах среды.
Помимо визуализации рельефа поверхности с субнанометровым разрешением АСМ позволяет осуществлять прямое измерение сил, возникающих при взаимодействии одиночных наноразмерных объектов.
Проводятся такие измерения следующим образом: один объект закрепляется на острие зонда АСМ, а второй фиксируется на подложке, после чего зонд подводится к поверхности подложки до достижения механического контакта, а затем возвращается обратно. В ходе этого перемещения отслеживается деформация упругой консоли (кантилевера). Зависимость этого параметра от расстояния между зондом и подложкой называется силовой кривой. С ее помощью можно определить величину силы, действующей между исследуемыми объектами. Этот метод, названный атомно-силовой спектроскопией (АСС), может использоваться для исследования силовых характеристик взаимодействия самых разнообразных малых объектов: от неорганических наночастиц до вирусов и живых клеток.
Метод атомно-силовой спектроскопии позволяет определить величину силы, действующей между исследуемыми объектами. Для этого один объект закрепляется на острие зонда АСМ, а второй фиксируется на подложке. Зонд подводится к поверхности подложки и затем поднимается обратно. Зависимость деформации кантилевера от расстояния между зондом и подложкой называется силовой кривой
Начальным этапом заражения клетки вирусом является адгезия (прилипание) вирусной частицы (вириона) к клеточной поверхности с последующим проникновением генетического материала вируса внутрь клетки. Этот процесс, определяемый взаимодействием белковых рецепторов, расположенных на поверхности клетки, с поверхностными белками вириона, является критически важным для размножения вируса. И, надо отметить, в большинстве случаев изучен недостаточно.
Поистине захватывающие перспективы исследований в этом направлении открывает АСС. Зафиксировав одиночную вирусную частицу на острие зонда АСМ, можно осуществить измерение силы, возникающей при контакте вирусной частицы с поверхностью клетки, исследовать кинетические характеристики данного взаимодействия и даже «вдавить» вирион внутрь клетки, одновременно ведя наблюдение при помощи мощного светового микроскопа. В таком эксперименте исследователь из пассивного наблюдателя превращается в активного участника процесса, осуществляя механическую манипуляцию исследуемым наноразмерным объектом — такую возможность не может предоставить ни один из других видов микроскопии.
Однако фиксация одиночной вирусной частицы на острие зонда атомно-силового микроскопа является весьма непростой задачей. Для успешного проведения эксперимента требуется большая подготовительная работа:
Оценка концентрации и степени чистоты препарата вируса обычно проводится методом просвечивающей электронной микроскопии. Площадку на острие АСМ-зонда, которое обычно изготавливают из кремния или его нитрида, формируют путем длительного сканирования кремниевой или сапфировой подложки при больших значениях развертки и силы прижатия зонда к поверхности. Наиболее наглядной иллюстрацией для этого процесса служит изменение формы острия карандаша в ходе интенсивного рисования.
Адекватным методом контроля геометрических параметров зонда атомно-силового микроскопа (а) при создании площадки для посадки вириона, является электронная микроскопия, как сканирующая, так и просвечивающая: б — площадка на острие зонда для посадки крупной вирусной частицы; в — вирусоподобная частица, закрепленная на острие зонда. Просвечивающая электронная микроскопия (JEM 1400, Jeol, Япония)
Главный вопрос, на который необходимо ответить при интерпретации любых результатов атомно-силовой спектроскопии, можно сформулировать следующим образом: «Силы между какими объектами были измерены?»
По меркам микроскопии, клетка высших организмов является относительно крупным (≈ 10 мкм) объектом, поэтому хорошо видна в световом микроскопе, при помощи которого на нее наводится кантилевер атомно-силового микроскопа. Но как быть с самим зондом, на острие которого предполагается наличие вириона? Строго говоря, вместо вириона там может оказаться все, что угодно: монослой белковых молекул, фрагмент клетки или вириона, агрегат из нескольких вирионов, случайное загрязнение и т. д. Кроме того, в процессе измерения вирион может разрушиться или оторваться от зонда. Визуализация же зонда с вирусной частицей методом электронной микроскопии до силовых измерений недопустима, так как под воздействием высушивания, вакуума и пучка электронов вирион приобретет необратимые изменения.
Наиболее эффективным методом решения данной проблемы оказалась визуализация острия зонда АСМ с помощью электронной микроскопии, осуществляемая непосредственно после силовых измерений. Если на острие будет обнаружена вирусная частица, уцелевшая в ходе эксперимента, то все сомнения развеются.
В течение последних пятидесяти лет в результате поистине титанической работы, проделанной электронными микроскопистами всего мира, накоплен огромный багаж знаний в области ультраструктурных аспектов репликации различных вирусов. Создание атомно-силового микроскопа и техники силовой спектроскопии позволило вплотную приблизиться к произвольной механической манипуляции одиночными вирусными частицами. Это выводит изучение взаимодействия вируса с клеткой на принципиально другой уровень — от структурных исследований к функциональным.
При этом атомно-силовая спектроскопия не является конкурентом для электронной микроскопии, а открывает новое самостоятельное направление исследований — наномеханику взаимодействия вирусной частицы с поверхностью клетки. Весьма вероятно, что в самом ближайшем будущем в данном направлении будут совершены фундаментальные открытия, соизмеримые по значимости с достижениями электронной микроскопии в середине прошлого века.
Изучение механизмов связывания вирусных частиц с поверхностью клетки вызывает значительный интерес не только с позиции фундаментальной науки, но и в контексте практических приложений. Более детальное понимание этих механизмов на молекулярном уровне может дать человечеству ключ к созданию эффективных противовирусных препаратов, защищающих клетки от проникновения вирусов.
В публикации использованы фото автора
Литература
1. Корнеев Д. В., Бессуднова Е. В., Зайцев Б. Н. Изучение взаимодействия наночастиц TiO2 и поверхности эритроцитов человека методом атомно-силовой спектроскопии // УНЖ. 2012. № 4. С. 73–77.
2. Миронов В. Л. Основы сканирующей зондовой микроскопии. Нижний Новгород: ИФМ РАН, 2004. 182 с.
3. Alsteens D., Pesavent E., Cheuvart G. et al. Controlled manipulation of bacteriophages using single-virus force spectroscopy // ACSNANO. 2009. V. 3 (10). P. 3063–3068.
4. Alsteens D., Trabelsi H., Soumillion P., Dufrene Y. F. Multiparametric atomic force microscopy imaging of single bacteriophages extruding from living bacteria // Nature Communications. V. 4. Article number: 2926.
5. Binnig G., Quate C. F., Gerber Ch. Atomic force microscope // Phys. Rev. Lett. 1986. V. 56 (9). P. 930–933.
6. Cappella B., Dietler G. Force-distance curves by atomic force microscopy // Surf. Sci. Rep. 1999. V. 34. P. 1–104.
7. Malkin A. J., Plomp M., McPherson A. Unraveling the architecture of viruses by high-resolution atomic force microscopy // Methods Mol. Biol. 2005. V. 292. P. 85–108.
* Просвечивающая электронная микроскопия с использованием специальной жидкостной ячейки и сканирующая электронная микроскопия при атмосферном давлении позволяют исследовать биологические объекты без фиксации, но из-за ряда технических трудностей и относительно низкого пространственного разрешения эти методы не получили широкого распространения.