Группа исследователей в области биомеханики применили оптико-механический резонатор для измерения низкочастотных колебаний бактерий. Для лучшего понимания процессов, происходящих на поверхности резонатора, была разработана уникальная теоретическая модель, основанная на концепции связанных затухающих гармонических осцилляторов. Эта модель позволила определить характер колебаний бактерии. Результаты исследования опубликованы в авторитетном журнале Nature Nanotechnology. Отметим, что измерение колебательных свойств молекул с помощью оптического неупругого рассеяния и оптического поглощения является важным инструментом для определения их химической структуры. Этот метод находит широкое применение в биологических исследованиях, позволяя получить ценную информацию о строении биомолекул и биологических структур. Давно существуют теоретические предсказания существования низкочастотных колебательных мод в нуклеиновых кислотах, белках, вирусах и бактериях.
Возможные четыре вида колебаний бактерии (слева направо): изгибные колебания, сфероидальные радиально дышащие колебания, вытягивание и сфероидальные квадрупольные колебания. Eduardo Gil-Santos et al./ Nature Nanotechnology
С помощью этих мод физики могут получать информацию о гибкости биологических объектов, которая чувствительна к конформационным изменениям, комплексообразованию и изменению условий окружающей среды. Известно, например, что многие болезни напрямую связаны с гибкостью молекул и биологических структур.
Биофизики уже проводили численный расчет основной резонансной частоты для сферической частицы на поверхности в зависимости от радиуса методом конечных элементов. Собственная частота колебаний сферических частиц падает с увеличением радиуса. Для наноструктур вирусов и белков такая частота по теоретическим оценкам — сотни и десятки гигагерц соответственно. Однако пока что ученым не удалось измерить собственную частоту колебаний вирусов распространенными методами оптического неупругого рассеяния и поглощения.
Биомеханики использовали нано и микрорезонаторы для того, чтобы определить массу биочастиц, а с помощью микрокантилевера — иглы атомно-силового микроскопа — у них получилось измерить жесткость. За счет своей массы частица уменьшает резонансную частоту резонатора в меньшую сторону, в то время как жесткость частицы наоборот незначительно повышает. В этом приближении биочастица статичная и игнорирует термическое движение, связанное с низкочастотными колебаниями.
Оценки колебаний биологических структур: белков, вирусов и бактерий. Eduardo Gil-Santos et al./ Nature Nanotechnology
Эдуард Хиль-Сантос (Eduardo Gil-Santos ) со своими коллегами предложил использовать для определения низкочастотных колебаний одной бактерии ультравысокочастотный механический резонатор, который в состоянии достичь частоту колебаний биочастиц размером в десятки и сотни нанометров. В частности, они измерили частоту колебаний эпидермального стафилококка (Staphylococcus epidermidis) на оптомеханических дисках. Ученые выбрали эти диски из-за того, что они имеют ультравысокую резонансную частоту, большую площадь чувствительной поверхности, повышенную чувствительность к сдвигу за счет мод шепчущей галереи и малые механические потери за счет радиальных дышащих мод.
Результаты измерения спектра колебаний: серым – до нанесения бактерии, красным – после. Верхняя – крупный диск, нижняя – малый. Eduardo Gil-Santos et al./ Nature Nanotecnology
Большой и маленький оптикомеханический резонатор с бактерией стафилококка. Eduardo Gil-Santos et al./ Nature Nanotecnology
Одну бактерию эпидермального стафилококка нанесли на поверхность электронапылением с последующей отгонкой растворителя. Для широкого диска с высокой частотой колебаний добавление бактерии привело к массовому смещению резонансной частоты. Однако для узкого диска в низкой частотой ситуация в корне меняется: изначальный узкий пик резонансного колебания расщепился на два широких пика. Этот эффект похож на расщепление частоты, когда связываются практически идентичные механические резонаторы, а уширение пиков связано с увеличением механических потерь из-за наличия бактерии на поверхности.
Модель осцилляторов и границы применимости по частоте. Eduardo Gil-Santos et al./ Nature Nanotecnology
Результаты численного моделирования спектра колебаний. Eduardo Gil-Santos et al./ Nature Nanotecnology
Для описания этого эффекта ученые разработали теоретическую модель одномерного затухающего гармонического осциллятора связанного с N гармоническими осцилляторами, которые могут колебаться в направлениях N-мерного пространства, образованного собственными векторами колебаний добавленной частицы. Сложность решения экспоненциально растет с ростом количества добавленных осцилляторов, а потому был рассмотрен случай, в котором N равен двум. Биомеханики меняли соотношение резонансной частоты детектора и аналита и получили спектр колебания этой системы. Чтобы подтвердить его правильность, они провели моделирование методом конечных элементов системы диска и бактерии, относительное положение между ними перенесено из электронной микрофотографии. Плотность бактерии была получена из измерения частоты с помощью микрокантилевера — 920 грамм на кубический сантиметр. Использовав плотность и зафиксировав коэффициент Пуассона в значении 0,35, исследователи получили четыре возможных типа колебания: изгиб, два типа сфероидальных колебаний и колебания перпендикулярные плоскости диска. Экспериментальные данные соответствуют колебаниям системы при модуле Юнга бактерии в 5,5 гигапаскалей, резонансные колебания расщепляются на два широких пика из-за колебаний в фазу и противофазу с радиальными колебаниями диска, а движения молекулы сочетают колебания изгиба и квадрупольного сфероидального колебания.
Спектр колебаний системы в зависимости от влажности окружающей среды. Eduardo Gil-Santos et al./ Nature Nanotecnology
Чтобы проверить применимость нового метода для изучения процессов с бактериями, ученые измерили спектр колебаний при различных условиях влажности атмосферы. Масса и вязкоупругие свойства биополимеров сильно зависят от уровня влажности, однако очень мало известно о влиянии воды на микробные частицы: при изменении уровня влажности с практически нуля до 80 процентов масса бактерии увеличивается на 20 процентов, а жесткость бактерии в первую очередь зависит от клеточной стенки, состоящей из полимера пептидогликана. Из спектра стало понятно, что при увеличении влажности, положения резонансных пиков смещаются за счет увеличения массы частицы, а сами пики становятся шире. Авторы объяснили это нарастающими механическими потерями из-за увеличения жесткости бактерии.
Новое использование оптикомеханических резонаторов позволит лучше разобраться с процессами в биологических структурах. Три года назад японские физики научили раскрашивать изображения иглу атомно-силового микроскопа в зависимости от ее частоты колебаний, частоты внешнего источника колебаний и сдвига частоты при контакте с поверхностью.
Автор: Артем Моськин
Источник: https://nplus1.ru/
