Elke menselijke cel is ingekapseld in een vijf nanometer dik lipidemembraan dat hem beschermt tegen de omgeving. Als een poortwachter, het membraan bepaalt welke ionen en moleculen er doorheen kunnen. Door dit te doen, het zorgt voor het welzijn en de stabiliteit van de cel en laat het communiceren via elektrische signalen.

Onderzoekers van het Laboratorium voor fundamentele BioPhotonics (LBP) in EPFL's School of Engineering waren in staat om deze bewegende ladingen in realtime te volgen op een volledig niet-invasieve manier. In plaats van de membranen zelf te observeren, ze keken naar de omringende watermoleculen, die, naast het intact houden van het membraan, oriëntatie veranderen in aanwezigheid van elektrische ladingen. Dus door hun standpunt te 'lezen', de onderzoekers konden een dynamische kaart maken van hoe ladingen over een membraan worden getransporteerd.

De methode van de onderzoekers is zojuist gepubliceerd in het tijdschrift Proceedings van de National Academy of Sciences ( PNAS ). Het zou licht kunnen werpen op hoe ionenkanalen werken, samen met andere processen die in membranen aan het werk zijn. Deze klinisch levensvatbare methode kan mogelijk ook worden gebruikt om ionenactiviteit in neuronen direct te volgen, wat de kennis van onderzoekers over hoe zenuwcellen werken zou verdiepen. "Watermoleculen kunnen overal worden gevonden waar lipidemembranen zijn, die deze moleculen nodig hebben om te bestaan, " zegt Sylvie Roke, hoofd van de LBP. "Maar tot nu toe de meeste onderzoeken naar membranen keken niet naar deze moleculen. We hebben aangetoond dat ze belangrijke informatie bevatten."

Dat deden de onderzoekers door gebruik te maken van een unieke tweede-harmonische microscoop die bij het LBP is uitgevonden. De beeldvormingsefficiëntie van deze microscoop is meer dan drie ordes van grootte groter dan die van bestaande tweede-harmonische microscopen. Met deze microscoop de onderzoekers verkregen beelden van watermoleculen op een tijdschaal van 100 milliseconden.

Om de hydratatie van de lipidemembranen te onderzoeken, de onderzoekers combineren twee lasers van dezelfde frequentie (femtoseconde pulsen) in een proces dat fotonen genereert met een verschillende frequentie:dit staat bekend als tweede harmonisch licht. Het wordt alleen gegenereerd op grensvlakken en onthult informatie over de oriëntatie van watermoleculen. "We kunnen observeren wat er in situ gebeurt, en we hoeven de omgeving niet aan te passen of omvangrijke markers zoals fluoroforen te gebruiken die de beweging van watermoleculen zouden verstoren, " zegt Orly Tarun, hoofdauteur van de publicatie.

Met deze methode, de onderzoekers observeerden ladingsfluctuaties in membranen. Dergelijke fluctuaties waren voorheen onbekend en duiden op veel complexer chemisch en fysisch gedrag dan momenteel wordt aangenomen.