Nieuwe beeldvormingstechniek helpt nanodomeinen, chemische samenstelling in celmembranen, op te lossen

Voor degenen die niet betrokken zijn bij scheikunde of biologie, doet het voorstellen van een cel waarschijnlijk denken aan verschillende discrete, kloddervormige objecten; misschien de kern, mitochondriën, ribosomen en dergelijke.

Er is een onderdeel dat vaak over het hoofd wordt gezien, behalve misschien een kronkelende lijn die de celgrens aangeeft: het membraan. Maar zijn rol als poortwachter is essentieel, en een nieuwe beeldvormingstechniek die is ontwikkeld aan de McKelvey School of Engineering aan de Washington University in St. Louis biedt een manier om in dit transparante, vette, beschermende omhulsel te kijken, in plaats van doorheen.

De nieuwe techniek, ontwikkeld in het laboratorium van Matthew Lew, assistent-professor bij het Preston M. Green Department of Electrical and Systems Engineering, stelt onderzoekers in staat om verzamelingen van lipidemoleculen van dezelfde fase te onderscheiden – de verzamelingen worden nanodomeinen genoemd – en om de chemische samenstelling binnen die domeinen.

De details van deze techniek – oriëntatielokalisatiemicroscopie met één molecuul of SMOLM – werden online gepubliceerd op 21 augustus Angewandte Chemie, het tijdschrift van de Duitse Chemische Vereniging.

De redacteuren van het tijdschrift – een vooraanstaand in de algemene scheikunde – kozen Lews paper als een “Hot Paper” over het onderwerp van papier op nanoschaal. Hot Papers onderscheiden zich door hun belang in een snel evoluerend gebied van grote belangstelling.

Met behulp van traditionele beeldtechnologieën is het moeilijk om te zien wat ‘binnen’ of ‘buiten’ een zacht, transparant object zoals een celmembraan is, zei Lew, vooral zonder het te vernietigen.

“We wilden een manier om in het membraan te kijken zonder traditionele methoden” – zoals het inbrengen van een fluorescerende tracer en kijken hoe deze door het membraan beweegt of met behulp van massaspectrometrie – “die het zou vernietigen,” zei Lew.

Om het membraan te onderzoeken zonder het te vernietigen, gebruikte Jin Lu, een postdoctoraal onderzoeker in het laboratorium van Lew, ook een fluorescerende sonde. In plaats van een pad door het membraan te moeten volgen, gebruikt deze nieuwe techniek het licht dat wordt uitgezonden door een fluorescerende sonde om direct te “zien” waar de sonde zich bevindt en waar deze in het membraan “gericht” is. De oriëntatie van de sonde onthult informatie over zowel de fase van het membraan als de chemische samenstelling ervan.

“In celmembranen zijn er veel verschillende lipidemoleculen”, zei Lu. “Sommige vormen vloeibaar, andere vormen een vastere of gelfase.”

Moleculen in een vaste fase zijn star en hun beweging beperkt. Ze zijn met andere woorden geordend. Wanneer ze zich echter in een vloeibare fase bevinden, hebben ze meer vrijheid om te roteren; ze bevinden zich in een wanordelijke fase.

Met behulp van een model lipide dubbellaag om een ​​celmembraan na te bootsen, voegde Lu een oplossing van fluorescerende sondes toe, zoals Nile Red, en gebruikte een microscoop om te zien hoe de sondes zich kort aan het membraan hechten.

De beweging van een sonde terwijl deze aan het membraan is bevestigd, wordt bepaald door zijn omgeving. Als omringende moleculen zich in een ongeordende fase bevinden, heeft de sonde ruimte om te wiebelen. Als de omringende moleculen zich in een geordende fase bevinden, is de sonde, net als de nabijgelegen moleculen, gefixeerd.

Wanneer er licht op het systeem schijnt, geeft de sonde fotonen af. Een eerder in het Lew-lab ontwikkelde beeldvormingsmethode analyseert vervolgens dat licht om de oriëntatie van het molecuul te bepalen en of het vast of roterend is.

“Ons beeldvormingssysteem vangt het uitgezonden licht van enkele fluorescerende moleculen op en buigt het licht om speciale patronen op de camera te produceren”, zei Lu.

“Op basis van de afbeelding kennen we de oriëntatie van de sonde en weten we of hij roteert of vastzit”, en dus of hij is ingebed in een geordend nanodomein of niet.

Het honderdduizenden keren herhalen van dit proces levert genoeg informatie op om een ​​gedetailleerde kaart te maken, waarop de geordende nanodomeinen te zien zijn die omgeven zijn door de oceaan van de ongeordende vloeibare gebieden van het membraan.

De gebruikte fluorescerende sonde Lu, Nile red, kan ook onderscheid maken tussen lipidederivaten binnen dezelfde nanodomeinen. In deze context kan hun gekozen fluorescerende sonde vertellen of de lipidemoleculen al dan niet worden gehydrolyseerd wanneer een bepaald enzym aanwezig was.

“Dit lipide, sfingomyeline genaamd, is een van de cruciale componenten die betrokken zijn bij de vorming van nanodomeinen in celmembraan. Een enzym kan een sfingomyeline-molecuul omzetten in ceramide”, zei Lu. “Wij geloven dat deze conversie de manier verandert waarop het sondemolecuul in het membraan roteert. Onze beeldvormingsmethode kan onderscheid maken tussen de twee, zelfs als ze in hetzelfde nanodomein blijven.”

Deze resolutie, een enkel molecuul in model lipide dubbellaag, kan niet worden bereikt met conventionele beeldvormingstechnieken.

Deze nieuwe SMOLM-techniek kan interacties tussen verschillende lipidemoleculen, enzymen en fluorescerende sondes oplossen met details die nog nooit eerder zijn bereikt. Dit is vooral belangrijk op het gebied van de chemie van zachte materie.

“Op deze schaal, waar moleculen constant in beweging zijn, is alles zelfgeorganiseerd”, zei Lew. Het is niet zoals solid-state elektronica waarbij elk onderdeel op een specifieke en vooral statische manier is aangesloten.

“Elk molecuul voelt krachten van degenen eromheen; dat is wat bepaalt hoe een bepaald molecuul zal bewegen en zijn functies zal uitoefenen.”

Individuele moleculen kunnen zich in deze nanodomeinen organiseren die, gezamenlijk, bepaalde dingen kunnen remmen of aanmoedigen – zoals iets de cel binnenlaten of buiten houden.

“Dit zijn processen die notoir moeilijk direct te observeren zijn”, zei Lew. ‘Nu heb je alleen nog een fluorescerend molecuul nodig. Omdat het is ingebed, vertellen zijn eigen bewegingen ons iets over wat er omheen is.’