Комплексный подход для исследования морфологии и распределения пигментов в клетке водоросли

Аннотация

С использованием атомно-силовой микроскопии, лазерной интерференционной микроскопии, микроспектроскопии комбинационного рассеяния и абсорбционной оптической томографии исследованы морфология и распределение структур клетки зеленой микроводоросли Haemotococcus lacustris. Показано, что применение микроспектроскопии комбинационного рассеяния позволяет определить положение отдельных клеточных структур (хлоропласты), состав и конформацию молекул пигментов (каротиноиды), атомно-силовой микроскопии --- латеральные и вертикальные размеры клетки, лазерной интерференционной микроскопии --- оценить морфологию и/или показатель преломления вещества и, как следствие, локальную концентрацию вещества в клетке. Это дает возможность получить информацию о внутриклеточных структурах. Использование абсорбционной оптической томографии позволило получить трехмерные изображения полупрозрачных клеток микроводоросли Haemotococcus lacustris, имеющих довольно сложную структуру, и визуализировать субклеточные структуры клетки водоросли несмотря на сильное поглощение света внутри клетки. Таким образом, комплексное использование атомно-силовой и лазерной интерференционной микроскопий, микроспектроскопии комбинационного рассеяния и абсорбционной оптической томографии позволяет значительно расширить возможности исследования и получить детальную и комплексную информацию как о геометрии клетки и распределении субклеточных структур, так и об их молекулярном составе и конформации пигментов

Работа выполнена при поддержке Междисциплинарной научно-образовательной школы МГУ имени М.В. Ломоносова "Молекулярные технологии живых систем и синтетическая биология". Спонсор не участвовал в разработке исследования, при сборе, анализе или интерпретации данных; в написании рукописи или в решении опубликовать результаты

Просьба ссылаться на эту статью следующим образом:

Паршина Е.Ю., Самойленко А.А., Максимов Г.В. и др. Комплексный подход для исследования морфологии и распределения пигментов в клетке водоросли. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Естественные науки, 2024, № 2 (113), с. 129--148. EDN: NBOFMH

Литература

[1] Юсипович А.И., Паршина Е.Ю., Байжуманов А.А. и др. Использование лазерного интерференционного микроскопа для оценки флуктуаций и эквивалентной константы упругости мембран клеток. Приборы и техника эксперимента, 2021, № 6, с. 93--101. DOI: https://doi.org/10.31857/S0032816221060136

[2] Левин Г.Г. Современные методы оптической томографии и голографии. Измерительная техника, 2005, № 11, с. 43--47.

[3] Yusipovich A.I., Parshina E.Yu., Brysgalova N.Yu., et al. Laser interference microscopy in erythrocyte study. J. Appl. Phys., 2009, vol. 105, iss. 10, art. 102037. DOI: https://doi.org/10.1063/1.3116609

[4] Юсипович А.И., Берестовская Ю.Ю., Шутова В.В. и др. Новые возможности исследования микробиологических объектов методом лазерной интерференционной микроскопии. Метрология, 2012, № 3, с. 17--26.

[5] Yusipovich A.I., Zagubizhenko M.V., Levin G.G., et al. Laser interference microscopy of amphibian erythrocytes: impact of cell volume and refractive index. J. Microsc., 2011, vol. 244, iss. 3, pp. 223--229. DOI: https://doi.org/10.1111/j.1365-2818.2011.03516.x

[6] Yusipovich A.I., Cherkashin A.A., Verdiyan E.E., et al. Laser interference microscopy: a novel approach to the visualization of structural changes in myelin during the propagation of nerve impulses. Laser Phys. Lett., 2016, vol. 13, no. 8, art. 085601. DOI: https://doi.org/10.1088/1612-2011/13/8/085601

[7] Parshina E.Yu., Sarycheva A.S., Yusipovich A.I., et al. Combined Raman and atomic force microscopy study of hemoglobin distribution inside erythrocytes and nanoparticle localization on the erythrocyte surface. Laser Phys. Lett., 2013, vol. 10, no. 7, art. 075607. DOI: https://doi.org/10.1088/1612-2011/10/7/075607

[8] Parshina E.Yu., Yusipovich A.I., Brazhe A.R., et al. Heat damage of cytoskeleton in erythrocytes increases membrane roughness and cell rigidity. J. Biol. Phys., 2019, vol. 45, no. 4, pp. 367--377. DOI: https://doi.org/10.1007/s10867-019-09533-5

[9] Журина М.В., Кострикина Н.А., Паршина Е.Ю. и др. Визуализация внеклеточного полимерного матрикса биопленок Chromobacterium violaceum с помощью микроскопических методов. Микробиология, 2013, т. 82, № 4, с. 502--509. EDN: QCXYDV. DOI: https://doi.org/10.7868/S0026365613040162

[10] Parshina E.Yu., Yusipovich A.I., Platonova A.A., et al. Thermal inactivation of volume-sensitive K⁺,Cl^-- cotransport and plasma membrane relief changes in human erythrocytes. Pflugers Arch. --- Eur. J. Physiol., 2013, vol. 465, no. 7, pp. 977--983. DOI: https://doi.org/10.1007/s00424-013-1221-4

[11] Mojzes P., Gao L., Ismagulova T., et al. Guanine, a high-capacity and rapid-turnover nitrogen reserve in microalgal cells. PNAS, 2020, vol. 117, no. 51, pp. 32722--32730. DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.2005460117

[12] Solovchenko A., Khozin-Goldberg I., Selyakh I., et al. Phosphorus starvation and luxury uptake in green microalgae revisited. Algal Res., 2019, vol. 43, art. 101651. DOI: https://doi.org/10.1016/j.algal.2019.101651

[13] Юсипович А.И., Новиков С.М., Казакова Т.А. и др. Особенности исследования изолированного нейрона методом лазерной интерференционной микроскопии. Квантовая электроника, 2006, т. 36, № 9, с. 874--878.

[14] Fedorov D.A., Sidorenko S.V., Yusipovich A.I., et al. Na_i⁺/K_i⁺ imbalance contributes to gene expression in endothelial cells exposed to elevated NaCl. Heliyon, 2021, vol. 7, iss. 9, art. e08088. DOI: https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2021.e08088

[15] Wu Z., Sun Y., Matlock A., et al. SIMBA: scalable inversion in optical tomography using deep denoising priors. IEEE J. Sel. Top. Signal Process., 2020, vol. 14, iss. 6, pp. 1163--1175. DOI: https://doi.org/10.1109/JSTSP.2020.2999820

[16] Matlock A., Zhu J., Tian L. Multiple-scattering simulator-trained neural network for intensity diffraction tomography. Opt. Express, 2023, vol. 31, iss. 3, pp. 4094--4107. DOI: https://doi.org/10.1364/oe.477396

[17] Li J., Matlock A., Li Y., et al. High-speed in vitro intensity diffraction tomography. Adv. Photonics, 2019, vol. 1, iss. 6, art. 066004. DOI: https://doi.org/10.1117/1.AP.1.6.066004

[18] Li J., Sun J., Zhang J., et al. Three-dimensional optical diffraction tomographic microscopy with optimal frequency combination with partially coherent illuminations. arXiv:1803.01151. DOI: https://doi.org/10.48550/arXiv.1803.01151

[19] Zuo C., Sun J., Li J., et al. Wide-field high-resolution 3D microscopy with Fourier ptychographic diffraction tomography. Opt. Lasers Eng., 2020, vol. 128, art. 106003. DOI: https://doi.org/10.1016/j.optlaseng.2020.106003

[20] Li J., Chen Q., Zhang J., et al. Optical diffraction tomography microscopy with transport of intensity equation using a light-emitting diode array. Opt. Lasers Eng., 2017, vol. 95, pp. 26--34. DOI: https://doi.org/10.1016/j.optlaseng.2017.03.010

[21] Soto J.M., Rodrigo J.A., Alieva T. Label-free quantitative 3D tomographic imaging for partially coherent light microscopy. Opt. Express, 2017, vol. 25, iss. 14, pp. 15699--15712. DOI: https://doi.org/10.1364/oe.25.015699

[22] Hamano R., Mayama S., Umemura K. Localization analysis of intercellular materials of living diatom cells studied by tomographic phase microscopy. Appl. Phys. Lett., 2022, vol. 120, iss. 13, art. 133701. DOI: https://doi.org/10.1063/5.0086165

[23] Merola F., Memmolo P., Miccio L., et al. Phase contrast tomography at lab on chip scale by digital holography. Methods, 2018, vol. 136, pp. 108--115. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ymeth.2018.01.003

[24] Jung J., Hong S.-J., Kim H.-B., et al. Label-free non-invasive quantitative measurement of lipid contents in individual microalgal cells using refractive index tomography. Sci. Rep., 2018, vol. 8, art. 6524. DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-018-24393-0

[25] Shin H., Hong S.-J., Kim H., et al. Elucidation of the growth delimitation of Dunaliella tertiolecta under nitrogen stress by integrating transcriptome and pepti-dome analysis. Bioresour. Technol., 2015, vol. 194, pp. 57--66. DOI: https://doi.org/10.1016/j.biortech.2015.07.002

[26] Kublanovskaya A., Baulina O., Chekanov K., et al. The microalga Haematococcus lacustris (Chlorophyceae) forms natural biofilms in supralittoral White Sea coastal rock ponds. Planta, 2020, vol. 252, no. 3, art. 37. DOI: https://doi.org/10.1007/s00425-020-03438-7

[27] Stanier R.Y., Kunisawa R., Mandel M., et al. Purification and properties of unicellular blue-green algae (order Chroococcales). Bacteriol. Rev., 1971, vol. 35, no. 2, pp. 171--205. DOI: https://doi.org/10.1128/br.35.2.171-205.1971

[28] Vishnyakov G.N., Levin G.G., Minaev V.L., et al. Investigation of the method of local optical tomography by differential projections. Opt. Spectrosc., 2018, vol. 125, no. 6, pp. 1065--1073. DOI: https://doi.org/10.1134/S0030400X18120226

[29] Левин Г.Г., Вишняков Г.Н. Оптическая томография. М., Радио и связь, 1989.

[30] Минаев В.Л., Юсипович А.И. Использование автоматизированного интерференционного микроскопа в биологических исследованиях. Измерительная техника, 2012, № 7, с. 66--69.

[31] Левин Г.Г., Вишняков Г.Н., Минаев В.Л. Автоматизированный интерференционный микроскоп для измерения динамических объектов. Приборы и техника эксперимента, 2014, № 1, с. 79--84. EDN: RTOVOT. DOI: https://doi.org/10.7868/S0032816214010066

[32] Darvin M.E., Gersonde I., Meinke M., et al. Non-invasive in vivo determination of the carotenoids beta-carotene and lycopene concentrations in the human skin using the Raman spectroscopic method. J. Phys. D: Appl. Phys, 2005, vol. 38, no. 15, art. 2696. DOI: https://doi.org/10.1088/0022-3727/38/15/023

[33] Baudelet P.-H., Ricochon G., Linder M., et al. A new insight into cell walls of Chlorophyta. Algal Res., 2017, vol. 25, pp. 333--371. DOI: https://doi.org/10.1016/j.algal.2017.04.008

[34] Pirutin S.K., Jia S., Yusipovich A.I., et al. Vibrational spectroscopy as a tool for bioanalytical and biomonitoring studies. Int. J. Mol. Sci., 2023, vol. 24, iss. 8, art. 6947. DOI: https://doi.org/10.3390/ijms24086947