Tool maakt visualisatie op nanoschaal van lipidenbeweging tussen celorganellen mogelijk

Lipiden zijn vetmoleculen die een cruciale rol spelen in de celfunctie, inclusief membraanstructuur, energieopslag en opname van voedingsstoffen. De meeste lipiden worden gemaakt in een celorganel dat het endoplasmatisch reticulum wordt genoemd, maar specifieke lipidentypes worden afhankelijk van hun doel naar verschillende delen van de cel getransporteerd. Elke organel vervult een specifieke rol in een cel en heeft zijn eigen unieke mengsel van lipiden, een lipidoom genoemd.

Wetenschappers willen al lang de beweging van lipiden rond een cel van dichterbij bekijken, maar omdat organellen zo dicht bij elkaar liggen – vaak slechts tientallen nanometers uit elkaar – is het moeilijk om dit in beeld te brengen met traditionele lichtmicroscopie, die slechts resoluties tot 250 nanometer heeft.

Nu hebben onderzoekers van de Universiteit van Californië in San Diego een nieuwe technologie onthuld met de kracht om cellen in ongekend detail te zien. De tool, genaamd fluorogen-activating coïncidentie ontmoetingsdetectie (FACES), werd ontwikkeld in het laboratorium van universitair hoofddocent biochemie en moleculaire biofysica Itay Budin. Dit werk verschijnt in Natuur Chemische Biologie.

Celmembranen zijn samengesteld uit lipidedubbellagen. Deze dubbellagen zijn 3 à 4 nanometer breed en bestaan ​​uit twee lipidelagen die blaadjes worden genoemd. De lipiden in elk blaadje zijn niet noodzakelijkerwijs van hetzelfde type, wat de pogingen om de microscopische biochemie die plaatsvindt nog ingewikkelder maakt.

Om een ​​glimp op te vangen van de beweging van lipiden, wendde het team zich tot fluorogenen, kleurstoffen met kleine moleculen die niet fluoresceren tenzij ze gebonden zijn aan een speciaal fluorogen-activerend eiwit of FAP. De studie laat zien hoe lipiden, wanneer ze chemisch worden gemodificeerd door er fluorogenen aan te hechten, alleen oplichten in delen van de cellen waar het FAP-eiwit wordt aangetroffen. Door de lokalisatie van de FAP’s te controleren, kunnen onderzoekers selectief alleen de lipiden belichten op plaatsen naar keuze.

“Het is alsof je een soort schakelaar hebt”, zegt Budin, de corresponderende auteur van het artikel. “Je hebt een kleurstof en je hebt een eiwit. Op zichzelf zijn geen van beide fluorescerend. Maar als ze zich tegelijkertijd op dezelfde plek bevinden, binden ze zich aan elkaar en is het complex fluorescerend.”

Met dit hulpmiddel kunnen onderzoekers alleen zien hoe lipiden naar specifieke organellen in de cel worden getransporteerd, terwijl andere lipiden in de cel donker blijven. Het kan ook de afzonderlijke blaadjes van een lipidedubbellaag ontleden, waarbij de ene kant fluoresceert terwijl de andere ongezien blijft. Het laboratorium van Budin gebruikt FACES om te zien hoe lipiden tussen organellen worden getransporteerd en hoe ze over een enkele membraandubbellaag tussen twee verschillende blaadjes worden getransporteerd.

Het idee voor de tool kwam van projectwetenschapper William Moore. Ondanks Budins aanvankelijke aarzelingen over de technische uitdagingen die het gebruik van fluorogenen met zich meebrengt om lipiden in beeld te brengen, bleef Moore volhardend in het overbrengen van zijn idee van de tekentafel naar de microscoopkamer.

“Fluorogenen worden doorgaans gebruikt voor de lokalisatie en tracking van eiwitten die genetisch zijn getagd met een FAP. Ik had er vertrouwen in dat we deze logica zouden kunnen omkeren en FAP’s zouden kunnen hergebruiken als sensoren voor de lokalisatie en tracking van fluorogenen, die kunnen worden geconjugeerd aan andere moleculen zoals lipiden”, aldus Moore, de eerste auteur van het artikel.

Deze nieuwe tool zal een aanvulling vormen op de geavanceerde beeldvormingstools die in het laboratorium van Obara worden ontwikkeld. Samen hopen ze de communicatie van organellen – hoe verschillende componenten van een cel met elkaar omgaan – inclusief het transport van lipiden beter te begrijpen. Het project omvatte ook belangrijke bijdragen van het laboratorium van hoogleraar biochemie en moleculaire biofysica Neal Devaraj.

Budin hoopt het sensoreiwit en fluorgeenmolecuul gemakkelijk beschikbaar te maken voor andere laboratoria, zelfs voor laboratoria die geen lipiden bestuderen.

“We concentreren ons op de lipidenhoek, want dat is wat ons laboratorium onderzoekt”, zei Budin. “Maar de technologie kan feitelijk worden toegepast op veel verschillende soorten biomoleculen die kunnen worden geëtiketteerd met behulp van dit soort chemicaliën. We willen dat deze wordt gebruikt door biologie- en biochemielaboratoria over de hele wereld.”