Wat vibrerende moleculen kunnen onthullen over de celbiologie

Infrarood vibratiespectroscopie bij BESSY II kan worden gebruikt om kaarten met hoge resolutie te maken van moleculen in levende cellen en celorganellen in hun oorspronkelijke waterige omgeving, volgens een nieuwe studie door een team van HZB en Humboldt Universiteit in Berlijn.

Nano-IR-spectroscopie met s-SNOM op de IRIS-bundellijn is nu geschikt voor het onderzoeken van kleine biologische monsters in vloeibaar medium in het nanometerbereik en het genereren van infraroodbeelden van moleculaire trillingen met nanometerresolutie. Het is zelfs mogelijk om 3D-informatie te verkrijgen. Om de methode te testen, kweekte het team fibroblasten op een zeer transparant SiC-membraan en onderzocht ze in vivo. Deze methode zal nieuwe inzichten opleveren in de celbiologie.

Infraroodspectroscopie is een schadevrije methode voor het karakteriseren van biologische weefsels of cellen. Met het gebruik van een nabij-veld optische microscoop van het infraroodverstrooiingstype (s-SNOM) zijn zelfs de kleinste monstervolumes voldoende om rijke informatie te verkrijgen over de moleculaire samenstelling, structuur en interacties, met een ruimtelijke resolutie tot 10 nm.

De studie is gepubliceerd in het journaal Klein.

Het testen van de methode op fibroblastcellen

De IRIS-bundellijn bij de BESSY II-synchrotronbron levert zeer helder en extreem breedbandig infraroodlicht dat voor deze methode vereist is. In een recente studie uitgevoerd bij BESSY II, onder de gezamenlijke leiding van Dr. Alexander Veber, HZB en Prof. Dr. Janina Kneipp van HUB, demonstreerde het team de effectiviteit van deze methode om trillingsspectra van levende cellen in vloeistoffen vast te leggen. Ze gebruikten fibroblasten, die verantwoordelijk zijn voor de opbouw van bindweefsel en de productie van collageen, als testmonsters.

Voor de eerste keer gebruikte het team een ​​ultradun siliciumcarbide-membraan dat dient als een beschermende biocompatibele interface tussen de cellen en hun vloeibare medium en de sondetip van de op s-SNOM gebaseerde infraroodnanoscoop, die de trillingen detecteert.

“We waren niet alleen in staat om de kern- en celorganellen te visualiseren, maar we slaagden er ook in om de individuele bijdragen van eiwitten, nucleïnezuren, koolhydraten en membraanlipiden te lezen op basis van de gedetecteerde trillingsspectra”, zegt Veber.

Dit was mogelijk omdat het siliciumcarbidemembraan zeer transparant is voor infrarood licht. De waargenomen celstructuur op nanoschaal komt overeen met de bekende heterogeniteit van cellen, waardoor de nieuwe methode wordt gevalideerd.

“We zouden ook de meetparameters kunnen variëren om te bepalen hoe diep in het monster we signalen detecteren, waardoor we de verschillende lagen ervan kunnen verkennen. Dit maakt de weg vrij voor infrarood nanotomografie van de cellen, dat wil zeggen een gedetailleerde 3D-visualisatie van de celstructuur en samenstelling”, zegt Veber. Gestandaardiseerde 2D- en 3D-vibratiebeeldvorming en spectroscopie zouden snellere vooruitgang in de biofysica en nanomaterialen mogelijk kunnen maken.

“Deze methode biedt de mogelijkheid om biologische monsters en vloeistof-vaste stof grensvlakken veel nauwkeuriger te analyseren dan voorheen mogelijk was”, zegt Veber. “In principe zouden we het kunnen gebruiken om elk type cel te onderzoeken, inclusief kankercellen.” De nieuwe ontwikkeling is beschikbaar voor nationale en internationale gebruikersgroepen van de IRIS-bundellijn.