Использование свойств света, чтобы косвенно заглянуть внутрь клеточной мембраны

Для тех, кто не занимается химией или биологией, изображение клетки, вероятно, вызывает в памяти несколько отдельных объектов в форме капли; возможно ядро, митохондрии, рибосомы и тому подобное, сообщает портал nexusrus.com.

Есть одна часть, которую часто упускают из виду, за исключением, возможно, волнистой линии, обозначающей границу клетки: мембраны. Но его роль в качестве привратника очень важна, и новая технология визуализации, разработанная в Инженерной школе Маккелви при Вашингтонском университете в Сент-Луисе, обеспечивает способ видеть этот прозрачный, толстый, защитный корпус, а не сквозь него.

Новая методика, разработанная в лаборатории Мэтью Лью, доцента кафедры электротехники и системной инженерии Престона М. Грина, позволяет исследователям различать совокупности липидных молекул одной и той же фазы (коллекции называются нанодоменами) и определить химический состав в этих областях.

Детали этого метода - микроскопии ориентации и локализации одиночных молекул, или SMOLM - были опубликованы в Интернете 21 августа в Angewandte Chemie , журнале Немецкого химического общества.

Редакторы журнала - ведущего в области общей химии - выбрали статью Лью как «горячую статью» по теме наноразмерных бумаг. Горячие статьи отличаются своей важностью в быстро развивающейся области, представляющей большой интерес.

По словам Лью, с помощью традиционных технологий визуализации трудно отличить «внутри» от «снаружи» мягкого прозрачного объекта, такого как клеточная мембрана, особенно без его разрушения.

«Нам нужен был способ заглянуть в мембрану без традиционных методов» - таких как введение флуоресцентного индикатора и наблюдение за его движением через мембрану или с помощью масс-спектрометрии - «который бы его разрушил», - сказал Лью.

Чтобы исследовать мембрану, не разрушая ее, Джин Лу, научный сотрудник лаборатории Лью, также применил флуоресцентный зонд. Однако вместо того, чтобы прослеживать путь через мембрану, этот новый метод использует свет, излучаемый флуоресцентным датчиком, чтобы напрямую «видеть», где находится датчик и где он «направлен» в мембране. Ориентация зонда дает информацию как о фазе мембраны, так и о ее химическом составе.

«В клеточных мембранах есть много разных липидных молекул», - сказал Лу. «Некоторые образуют жидкость, некоторые - более твердую или гелевую фазу».

Молекулы в твердой фазе жесткие, и их движение ограничено. Другими словами, они упорядочены. Однако, когда они находятся в жидкой фазе, у них больше свободы для вращения; они находятся в неупорядоченной фазе.

Используя модельный липидный бислой, чтобы имитировать клеточную мембрану, Лу добавил раствор флуоресцентных зондов, таких как нильский красный, и использовал микроскоп, чтобы наблюдать, как зонды ненадолго прикрепляются к мембране.

Движение зонда, когда он прикреплен к мембране, определяется окружающей средой. Если окружающие молекулы находятся в неупорядоченной фазе, у зонда есть место для покачивания. Если окружающие молекулы находятся в упорядоченной фазе, зонд, как и соседние молекулы, зафиксирован.

Когда на систему попадает свет, зонд испускает фотоны. Метод визуализации, ранее разработанный в лаборатории Лью, затем анализирует этот свет, чтобы определить ориентацию молекулы и определить, является ли она неподвижной или вращающейся.

«Наша система визуализации улавливает свет, излучаемый отдельными флуоресцентными молекулами, и изгибает свет, создавая особые узоры на камере», - сказал Лу.

«Основываясь на изображении, мы знаем ориентацию зонда и знаем, вращается он или фиксируется» и, следовательно, внедрен ли он в упорядоченный нанодомен или нет.

Повторение этого процесса сотни тысяч раз дает достаточно информации для построения подробной карты, показывающей упорядоченные нанодомены, окруженные океаном неупорядоченных жидких областей мембраны.

Используемый флуоресцентный зонд Lu, нильский красный, также способен различать производные липидов в одних и тех же нанодоменах. В этом контексте выбранный ими флуоресцентный зонд может определить, гидролизуются ли липидные молекулы при наличии определенного фермента.

«Этот липид, называемый сфингомиелином, является одним из важнейших компонентов, участвующих в образовании нанодоменов в клеточной мембране. Фермент может преобразовывать молекулу сфингомиелина в церамид», - сказал Лу. «Мы считаем, что это преобразование изменяет способ вращения молекулы зонда в мембране. Наш метод визуализации позволяет различать эти два вида, даже если они остаются в одном нанодомене».

Это разрешение, единственная молекула в модельном липидном бислое, не может быть достигнуто с помощью обычных методов визуализации.

Этот новый метод SMOLM может разрешать взаимодействия между различными липидными молекулами, ферментами и флуоресцентными зондами с деталями, которые ранее не были достигнуты. Это особенно важно в области химии мягкого вещества.

«В этом масштабе, где молекулы постоянно движутся, все самоорганизуется», - сказал Лью. Это не похоже на твердотельную электронику, где каждый компонент подключен определенным и, что важно, статическим образом.

«Каждая молекула чувствует силы со стороны окружающих ее; это то, что определяет, как конкретная молекула будет двигаться и выполнять свои функции».

Отдельные молекулы могут организовываться в эти нанодомены, которые в совокупности могут препятствовать или поощрять определенные вещи - например, позволять чему-то проникать в клетку или удерживать ее снаружи.

«Это процессы, которые, как известно, трудно наблюдать напрямую», - сказал Лью. «Теперь все, что вам нужно, это флуоресцентная молекула. ??Поскольку она встроена, ее собственные движения говорят нам кое-что о том, что вокруг нее».