Химики разглядели движение клетки в темноте
Химикам удалось получить изображение живой клетки без использования лазерного излучения и флуоресцентных меток. Они разработали и продемонстрировали метод, в основе которого лежит излучение одиночных фотонов в результате химической реакции. Работа опубликована в журнале Nature.
Многие химические и биохимические реакции, которые происходят в живых организмах оказываются настолько сложными, что смоделировать их невозможно, а существующие методы экспериментального исследования вносят искажения и часто оказываются трудоемкими. Можно получать статистические данные о большом ансамбле частиц, но отследить как взаимодействуют одиночные частицы или молекулы довольно трудно. Или, например, получать изображения биологических структур до и после реакции — чаще всего для этого используют мощное лазерное излучение. И, несмотря на то, что успехи оптических методов позволили получать изображения с разрешением, превышающим дифракционный предел, мощное излучение создает высокий фоновый шум или может повредить исследуемый образец.
Существует обратный к облучению молекул подход — смотреть за ними в полной темноте, как ночью наблюдают за звездами. Хорошо различить в темноте можно частицу света, поэтому такой метод подходит для реакций, в результате которых излучаются фотоны. Группа ученых под руководством Цзяньдун Фэня (Jiandong Feng) из Чжэцзянского университета показала, что реакция электрохемилюминесценции подходит для исследования в полной темноте. Авторы получили изображение поверхности, на которой происходило множество реакций с излучением фотонов и сравнили его с изображением, полученным оптическим методом.
Для проведения всех экспериментов авторы использовали схему, состоящую из прозрачной подложки с электродами, которая находилась в растворе красителя. Излучение собиралось со стороны прозрачной подложки и регистрировалось при помощи матрицы однофотонных детекторов.
Обычно для того, чтобы проследить за реакцией на молекулярном уровне, химики берут очень маленький объем раствора двух реагентов и измеряют переизлучение от него, что не всегда возможно и удобно. Авторский подход позволяет избежать таких сложностей, а регистрация одиночных событий становится возможной благодаря маленьким концентрациями красителя в растворе и радикала на поверхности электрода. Пропускание тока через электрод меняет заряд радикала и дает ему возможность взаимодействовать с красителем.
Процесс электрохемилюминесценции случайный, поэтому подтверждение того, что именно он послужил излучением фотонов в эксперименте может служить статистическое распределение. Авторы меняли концентрацию реагентов и следили за тем с какой вероятностью происходит реакция. Полученное распределение подчинялась статистике Пуассона, что говорит о случайности реакций.
Кроме того, возможность следить за одиночными событиями позволяет получать динамическую во времени картину реакций — кинематику процесса и установить какой именно процесс происходит — адсорбция или диффузия. Сравнение полученных экспериментальных данных позволило химикам подтвердить, что наблюдаемая реакция возникает из-за диффузии красителя, в то время как стандартные оптические методы включают в себя адсорбцию молекул на поверхность.
Благодаря тому, что фотоактивная реакция происходит между поверхностью электрода и растворенным красителем, любое заслонение электрода можно увидеть на снимках с фотодетектора. Если на поверхность поместить живую клетку или любые другие биологические объекты, то можно не только получить их изображение, но и отслеживать происходящие с ними процессы в динамике. Разрешение полученных снимков оказалось не хуже возможностей оптической микроскопии с использованием лазерного облучения.
Несмотря на то, что электрохемилюминесценция может оказывать влияние на клетку, оно не сравнится с фотообесцвечиванием и фоновым шумом, которые возникают при использовании существующих методов. Поэтому химики рассматривают опробованный ими метод как альтернативу подходам с использованием флуоресценции для анализа и визуализации клеток.
Ранее физики уже сообщали о методе получения изображений «издалека», который тоже не задействует явление флуоресценции, но использует мощное лазерное излучение. А еще раньше ученые доработали метод флуоресцентной микроскопии и смогли увидеть движение клеток внутри эмбриона.
Оксана Борзенкова
При этом получать из минерала фтороводород не пришлось
Химики из Великобритании и США обнаружили, что если измельчить в шаровой мельнице нерастворимый в воде и органических растворителях минерал флюорит с гидрофосфатом калия, образуется смесь солей, частично растворимая в органических растворителях. С ее помощью, как пишут ученые в Science, можно вводить атомы фтора в органические молекулы. Исходник для всех фторсодержащих органических веществ — это минерал флюорит, состоящий в основном из фторида кальция CaF2. Чтобы использовать флюорит для синтеза фторорганики, его растворяют в концентрированной серной кислоте — при этом атомы фтора переходят в растворимый в воде фтороводород HF, а кальций — в нерастворимый сульфат кальция CaSO4. После этого фтороводород используют для получения растворимых фторсодержащих солей и органических фторирующих агентов. Сам фтороводород (и его водные растворы) очень токсичен — он легко проникают через кожу, вызывая химические ожоги, и связывает ионы кальция в крови, что может приводить к гипокальциемии. И несмотря на все риски, связанные с его крупномасштабным получением, растворение флюорита в кислоте — до сих пор самый распространенный первый этап промышленного синтеза фторсодержащих соединений. Но недавно химики под руководством Майкла Хэйворода (Michael A. Hayward) из Оксфордского университета нашли удобный способ переработки флюорита. Они обнаружили, что если смешать один эквивалент флюорита с 2,5 эквивалента гидрофосфата калия K2HPO4 и перетереть их в шаровой мельнице, получится растворимая в воде, трет-бутиловом спирте и диметилсульфоксиде смесь солей, содержащая фторид-анионы. Чтобы понять, какие соли образуются при перетирании, химики зарегистрировали ЯМР-спектры раствора полученной смеси в воде. В результате анализа спектров они обнаружили, что в воде смесь диссоциирует на ионы F-, FPO32- и HPO42-. Далее ученые предположили, что основными компонентами смеси были смешанные соли K3(HPO4)F и K2−xCay(PO3F)a(PO4)b — и это предположение удалось подтвердить с помощью данных по рентгеновской порошковой дифракции полученной смеси. Затем химики протестировали фторсодержащую смесь в распространенных реакциях получения фторорганики. В итоге с ее помощью химикам удалось получить набор фторандидридов сульфоксилот из их хлорангидридов, провести нуклеофильное замещение брома на фтор в нескольких алкилбромидах, а также заменить хлор на фтор в замещенном нитробензоле и нескольких хлорзамещенных азотных гетероциклах. Таким образом, химики разработали механохимический способ перевода флюорита в растворимую смесь солей без промежуточного получения токсичного фтороводорода. Эта смесь солей оказалась удобным реагентом для получения фторорганических веществ. Как утверждают авторы статьи, работала она не хуже обычного фторида калия. Из токсичного фтороводорода получают, в том числе, распространенный в быту полимер тефлон. Крупномасштабное производство тефлона приводит к загрязнению окружающей среды полифторированными карбоновыми кислотами. Они токсичны для человека, но, как мы недавно рассказывали, химики уже научились разлагать их с помощью щелочи.
