КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

---

Номер 19-19-00626

НазваниеРазработка высокоскоростного сканирующего ион-проводящего микроскопа для изучения динамических процессов мембран живых клеток

РуководительКорчев Юрий Евгеньевич, Кандидат биологических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСИС", г Москва

Период выполнения при поддержке РНФ

2019 г. - 2021 г.

Конкурс№35 - Конкурс 2019 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами».

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-704 - Микро- и наноэлектромеханические устройства

Ключевые словаСканирующая ион-проводящая микроскопия, нанокапилляр, высокоскоростная сканирующая зондовая микроскопия, визуализация живых клеток, актюатор, ниобата лития

Код ГРНТИ59.00.00

СтатусУспешно завершен

---

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

---

Аннотация
Изучение структуры и состава живой клетки и то, как составляющие ее молекулы функционируют вместе, дает наглядное понимание сложных процессов, происходящих в сложных живых биологических системах. Это требует технологий, которые позволят проводить неинвазивные исследования клетки в режиме реального времени, в условиях, имитирующих физиологические, при которых клетка сохраняет все свои функции. Сканирование поверхности клетки в режиме реального времени требует довольно высокой скорости, чтобы запечатлеть динамические процессы. Система детекции должна быть достаточно чувствительной для получения изображений высокого разрешения даже для развитой поверхности, какими в большинстве случаев являются клеточные структуры. Кроме того, диапазон сканирования должен варьироваться в широких пределах и в идеальном случае позволять одновременно наблюдать динамические процессы, происходящие в мембране или вблизи нее на уровне сотен нанометров, а также следить за надмолекулярными процессами, происходящими на поверхности клетки в диапазоне десяти нанометров. Самая важная проблема при сканировании живой клетки – это обеспечение оптимальных физиологических условий. Это гарантирует то, что клетки не только остаются живыми, но и не нарушается их метаболизм, в результате чего можно наблюдать процессы жизнедеятельности без искажений. Основная проблема, мешающая увеличению скорости неинвазивного сканирования это ограничения скорости функционирования системы обратной связи. Очень сложно получить такую высокую скорость, потому что в контур обратной связи включено множество компонентов, время отклика которых достаточно велико. Существует несколько факторов, ограничивающих скорость обратной связи: первый – механические свойства системы, второй – пропускная способность усилителя тока и время измерения величины ионного тока. В режиме реального времени технически очень сложно определить величину ионного тока при большом отношении полезного сигнала к шуму. Третий фактор – механический отклик пьезоактуатора, который двигает нанокапилляр над образцом в вертикальном направлении. Временная задержка, вызванная этим актуатором, определяется фазовой задержкой на частоте возбуждения, которая является функцией добротности и резонансной частоты Z-сканера. Четвертый фактор – время установки зонда в режиме непрерывного сканирования: когда зонд теряет контакт с образцом, например в области крутого выступа на поверхности образца, требуется время, пока зонд снова не приблизится на нужное расстояние и не восстановится система обратной связи. Время приближения зависит от условий эксперимента и свойств образца, например, таких как величина ионного тока вдалеке от поверхности, величина уставки (соотношение ионного тока в объеме и у поверхности) и высота образца. Эти факторы сильно влияют на качество изображения, точность сканирования. Данные факторы играют особую роль при небольшой уставке, которая является обязательным условием при неразрушающем сканировании образца. В настоящем проекте будут невелированы перечисленные факторы, лимитирующие скорость сканирования. Будет создан полнофункциональный опытный образец высокоскоростного ион-проводящего микроскопа, позволяющий визуализировать биологические процессы в реальном времени (видео подобное изображение).

Ожидаемые результаты
Целью выполнения проекта является разработка и изготовление опытного образца высокоскоростного сканирующего ион-проводящего микроскопа (СИПМ). Существует большое количество важных биологических проблем, которые могут быть рассмотрены при помощи технологии сканирования живых клеток, например, динамические процессы и локализация молекул, динамика клеточной мембраны, эндо/экзоцитоз, проникновение вирусов, миграция протеинов и проводимость сигналов. Большинство этих процессов включает в себя динамическую реструктуризацию клеточной мембраны и поэтому требуют сканирующие системы, которые способны следить за динамикой поверхности клетки в высоком разрешении с одновременными функциональными измерениями Разработанный в рамках проекта высокоскоростной СИПМ найдет применения в научных организациях Российской Федерации, работающих на стыке нано и биотехнологий. Уникальные возможности высокоскоростного СИПМ найдут применения в биологии, медицине, материаловедении и т.д. В связи с уникальностью научно-исследовательских работ, сложностью инженерно-конструкторских решений в готовом изделии, результатам настоящего проекта будет дана надежная правовая защита, которая позволит гарантировать приоритет российских исследователей в столь актуальной области. Приоритет российской науки над общемировой позволит в дальнейшем осуществлять промышленное производство, в том числе на экспорт, именно силами российских производителей, что однозначно повлечет за собой развитие точного приборостроения и связанных с ним отраслей в масштабах РФ. Кроме того, появление отечественной технологии, лежащей на стыке нанотехнологий и живых систем, приведет к развитию исследований и росту общего технологического уровня именно на территории РФ, даст толчок к появлению целого ряда импортозамещающей продукции российского производства, т.е. произойдет сокращение технологического разрыва, в том числе и в смежных областях. Рассмотрим наиболее наглядные примеры использования результатов данного проекта, позволяющие оценить коммерческую перспективность высокоскоростного СИПМ. Большинство биологический процессов, происходящих на цитоплазматической мембране живых клеток, носят динамический характер. На сегодняшний день не существует других методов, позволяющих визуализировать данные процессы с нанометровым разрешением. Предложенный в данном проекте метод высокоскоростной сканирующей ион-проводящей микроскопии позволит получать изображение с разрешением 100*100 пикселей за 100мс. Разрабатываемый высокоскоростной СИПМ позволит решить ряд фундаментальных и прикладных задач биологии таких как, динамические процессы и локализация молекул, динамика клеточной мембраны, эндо/экзоцитоз, проникновение вирусов, миграция протеинов и проводимость сигналов. Большинство этих процессов включает в себя динамическую реструктуризацию клеточной мембраны, и поэтому требуют сканирующие системы, которые способны следить за динамикой поверхности клетки в высоком разрешении с одновременными функциональными измерениями. В отличие от известных методов атомно-силовой микроскопии, СИПМ позволяет значительно упростить изучения мягких материалов, таких как гели, живые клетки, полимеры и др. за счет неинвазивного сканирования топографии. Таким образом, результаты данного проекта будут востребованы научно-исследовательским учреждениями и крупными фармацевтическими и сельскохозяйственными корпорациями, ведущими собственные медико-биологические и биоинженерные разработки как в Российской Федерации так и за ее пределами.

---

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

---