Een onderzoeksteam van het Oak Ridge National Laboratory van het Department of Energy heeft het allereerste directe onderzoek op nanoschaal van een levend celmembraan uitgevoerd. Daarbij, het loste ook een al lang bestaand debat op door kleine groepen lipidemoleculen te identificeren die waarschijnlijk de sleutel zijn tot het functioneren van de cel.

De ontwikkelde methoden bieden een nieuw experimenteel platform voor biofysische studies van membranen en, mogelijk, andere celcomponenten. Het zou nuttig kunnen zijn voor toekomstig onderzoek naar belangrijke interacties zoals medicijnmembraan, biobrandstofmembraan, en zelfs interacties tussen antibiotica en membranen.

Het multidisciplinaire project, geleid door biofysicus John Katsaras, scheikundige Bob Standaert en microbioloog James Elkins - werden uitgevoerd in de High Flux Isotope Reactor en Spallation Neutron Source van het laboratorium met behulp van de bacterie Bacillus subtilis . Het team publiceerde zijn bevindingen in het tijdschrift PLoS Biologie .

Het membraan van een cel is een dunne dubbellaag van lipidemoleculen waartussen zich andere biomoleculen bevinden, zoals eiwitten. Onderzoekers zijn er niet zeker van of membraanlipiden zich soms organiseren in groepen die domeinen worden genoemd, ook bekend als "vlotten, " of als ze willekeurig in het membraan zijn verdeeld. Men denkt dat de organisatie van lipiden in verschillende domeinen binnen het celmembraan functies zoals signalering tussen cellen mogelijk maakt.

"Het werd een discussie, " zei Katsaras. "Sommige mensen geloofden dat ze bestonden, terwijl anderen geloofden van niet. Er was veel indirect bewijs dat beide kanten kon ondersteunen."

Het probleem was dat bestaande technieken deze vraag niet eenduidig ​​konden oplossen.

Neutronenverstrooiingsanalyse was de sleutel tot het succes van het project. Lipidedomeinen zijn te klein om te worden gezien door optische microscopen die licht gebruiken om monsters zoals biologische cellen te onderzoeken. Echter, neutronen hebben zo'n beperking niet en kunnen worden gebruikt om een ​​beeld op nanoschaal van een cel te geven. Bovendien, in tegenstelling tot andere instrumenten op nanoschaal, neutronen kunnen worden gebruikt om een ​​levende cel te onderzoeken zonder deze te beschadigen.

Terwijl neutronenverstrooiingsanalyse de beperkingen van de andere technologieën overwon, het bood een aantal ontmoedigende uitdagingen van zijn eigen. De eerste was om een ​​experiment te ontwikkelen waarin neutronen van lipidemoleculen in het membraan werden verspreid zonder interactie met andere componenten van de cel, zoals eiwitten, RNA, DNA en koolhydraten. De volgende uitdaging was om het ene type lipidemolecuul van het andere te onderscheiden.

De oplossing voor beide uitdagingen lag in het gebruik van deuterium, een isotoop van waterstof waarvan de kern zowel een neutron als een proton bevat. Daarentegen, gewone waterstofkernen bevatten een proton maar geen neutron. Terwijl een biologische cel zelf weinig verschil waarneemt tussen normale waterstof en deuterium, de twee isotopen lijken heel verschillend wanneer ze worden bekeken met behulp van neutronenverstrooiing.

Het ORNL-team creëerde een stam van de bacterie die voldoende deuterium bevat om de celstructuren in wezen onzichtbaar te maken voor neutronen. Ze zorgden er vervolgens voor dat de lipidemoleculen in het membraan volledig bestonden uit twee vetzuren met specifieke hoeveelheden deuterium en waterstof.

Vervolgens introduceerden ze de twee soorten vetzuren met verschillende isotopenverhoudingen. Het celmembraan was vrij om daaruit lipidemoleculen te creëren en in zijn membraan op te nemen, waarbij elk lipidetype dan een specifieke mix van de twee isotopen bevat. Als de lipiden willekeurig over het membraan zijn verdeeld, dan zou het membraan uniform lijken bij blootstelling aan neutronen, verwant aan een optische achtergrond die middelgrijs was.

Indien, echter, de lipiden verzameld met anderen van hun type, de achtergrond zou niet meer uniform zijn en zou het equivalent van lichtere en donkerdere grijze gebieden vertonen. Dit is in feite wat het team vond. De grijze vlekken die werden gedetecteerd met behulp van neutronen, hadden een diameter van minder dan 40 nanometer. Het membraan zelf was ongeveer 2,4 nanometer dik.

De ORNL-onderzoekers benadrukten dat hun benadering van het creëren van intern contrast in levende cellen met behulp van isotopen ook veelbelovend was voor ander onderzoek, de techniek van gerichte deuteratie openstellen voor andere fysieke technieken (bijv. kernmagnetische resonantiespectroscopie).

"De mensen die deze dingen bestuderen, hebben de neiging om bepaalde soorten sondes te gebruiken, ' merkte Katsaras op. 'Ze gebruikten geen neutronenverstrooiing omdat het niet in de stuurhut van de bioloog was. Onze nieuwe experimentele benadering opent nieuwe onderzoeksgebieden.

"Bijvoorbeeld, je zou de gemodificeerde bacteriën kunnen gebruiken als platform voor onderzoek naar antibiotica, omdat veel van deze antibiotica echt met het membraan praten."