Куда смотрят современные микроскопы?

Каким образом? Используя то обстоятельство, что для двух- и тем более трехфотонного поглощения нужна высокая плотность энергии. Сфокусировав импульс в небольшой области, можно добиться того, что только в ней молекулы флуорофора будут светится - ни выше, ни ниже при наблюдении через светофильтр ничего видно не будет. Смещая положение светового пятна, образец можно сканировать по вертикали и получать стопку плоских срезов, которые остается только сложить в трехмерное изображение.

Когда на ощупь лучше, чем с виду

Несмотря на все ухищрения с мультифотонной микроскопией, специальные алгоритмы реконструкции изображений и чувствительные камеры, исследовать отдельные молекулы как таковые оптика уже не позволяет. Можно провести простую аналогию: радиопеленгаторы могут определить координаты подвижной радиостанции, но бессильны выяснить ее внутреннее устройство, для определения формы и структуры молекул неизбежно приходится переходить к иным методам.

И здесь уместно обратится к недавно опубликованной журналом Nature работе японских физиков из университетов Каназавы и Гунмы. В ней подробно описывается перемещение отдельных молекул миозина вдоль других белковых молекул, актина. Актин-миозиновый комплекс является ключевой деталью мышечных клеток, сдвиг миозина относительно актина обеспечивает сокращение всего мышечного волокна - ученые смогли "сфотографировать" сокращение мышц на молекулярном уровне.

Слово "сфотографировали" неспроста в кавычках. На прилагаемом к работе видео видно, как молекула миозина движется по актину, причем отчетливо видна форма V-образного миозина, длина которого составляет около 20 нм, что примерно соответствует погрешности определения координат меченой РНК в эксперименте израильской группы. Такое изображение никак не может быть фотографией; более того, оно не может быть и изображением с электронного микроскопа.

Почему? Электронная микроскопия, в которой лучи света заменены на пучки электронов, а в роли линз выступают магнитные поля, требует вакуума. С поверхности образца надо откачать воздух, и это не просто неудобно: о возможности посмотреть на живые объекты в динамике можно забыть сразу из-за вакуума, большой энергии электронного пучка и необходимости вдобавок обрабатывать объекты так, чтобы те стали проводить электрический ток.

Увеличить
Атомный силовой микроскоп

Несмотря на выдающиеся успехи в других областях, электронная микроскопия ничем не могла бы помочь в случае с клетками. А вот атомная силовая микроскопия, АСМ - это то, что требуется в подобных случаях: она позволяет если не заглянуть внутрь клетки, то хотя бы увидеть биомолекулы на органической подложке "живьем", в максимально похожих на внутриклеточные условия. Точнее даже не увидеть, а ощупать, поскольку ключевой элемент АСМ - микроскопическая игла на свободно висящей над образцом балке, микропружине.

Игла при приближении к поверхности отклоняется силами межмолекулярного взаимодействия, и это позволяет сканировать поверхность в двух режимах - "прилипая" к изучаемому образцу или двигаясь над ним, но наблюдая за колебаниями держащей иглу микропружины. В первом случае поверхность практически в буквальном смысле слова ощупывается, а во втором сканируется с некоторого, порядка нескольких нанометров, расстояния. Точная механика, заостренная до атомных масштабов игла, регистрация движения держащей иглу микропружины (кантиливера - что в переводе с английского и есть "балка") при помощи лазерного луча - совокупность этих методов обеспечивает возможность увидеть даже не молекулы, а атомы в кристалле поваренной соли. Причем без вакуума, достаточно просто устойчивого основания и чистого помещения.

Впрочем, видео с такого прибора все равно еще недавно было практически фантастикой. Сканировать поверхность с частотой, достаточной для получения картинки мало-мальски приличного качества в реальном времени получилось лишь на рубеже XX и XXI веков, соответственно, для исследователей это сравнительно новый инструмент.

Портреты атомов и молекул

АСМ может дать изображение поверхности материала с отдельными атомами, а оставшийся за рамками обсуждения сканирующий туннельный микроскоп позволяет даже произвольно переставлять их на манер детских кубиков (сотрудники IBM так сложили в начале 90-х логотип компании). Но как быть, если мы хотим заглянуть еще дальше и посмотреть, к примеру, на электронные облака?

На первый взгляд это уже невозможно. И, действительно, законы квантовой механики говорят что электронное облако при взаимодействии даст вовсе не объемную картинку из учебника химии, а точку. Если этих точек набрать достаточно много, то может действительно получится облако - но как это сделать? Группа ученых из Харьковского физико-технического института использовала разновидность электронной микроскопии, при которой в электрическом поле подвешивалась тонкая, всего в один атом толщиной, углеродная нить. Испускаемые ею электроны падали на флуоресцирующий экран и давали каждый всего одну вспышку - но сочетание многих электронов рисовало уже полноценную картинку.

Картинку, на которой удавалось разглядеть как s-орбитали в виде шара, так и p-орбитали в виде объемных восьмерок. И хотя принципиально ничего нового здесь увидеть не удалось, ученые отмечают что их метод можно адаптировать для молекул с менее очевидной структурой

Григорий Домовой / CNews