Uitwisseling van materiaal en informatie op het niveau van individuele cellen vereist transport en signalering op het niveau van het plasmamembraan dat de cel omsluit. Het bestuderen van mechanismen op zulke kleine afmetingen stelt onderzoekers voor enorme uitdagingen. Onlangs, onderzoekers wilden de functie en verdeling van cholesterol bepalen, een belangrijk onderdeel van het membraan. Tot dusver, cholesterol kan slechts in zeer beperkte mate worden gelabeld met fluorescerende kleurstoffen, die onder de microscoop kan worden gevisualiseerd zonder het membraan te beschadigen. Onderzoekers van de Universiteit van Münster (Duitsland) hebben nu een methode ontwikkeld om deze moeilijkheden te omzeilen. Ze synthetiseerden een nieuwe verbinding met eigenschappen die vergelijkbaar zijn met die van cholesterol, maar die kunnen worden gelabeld met kleurstoffen en gevisualiseerd in levende cellen. Daar, de verbinding bootst realistisch het gedrag van natuurlijke cholesterol na.

"Onze nieuwe aanpak biedt een enorm potentieel voor het in beeld brengen van membraandynamiek in levende cellen, " zegt prof. Volker Gerke, een van de leiders van het onderzoek. Het werk is het resultaat van een interdisciplinair onderzoek waarbij organische chemici, biochemici en biofysici. De studie verschijnt in het huidige nummer van het tijdschrift Cel Chemische Biologie .

Cellen in het lichaam zijn ingesloten in een soort beschermend omhulsel, het plasmamembraan, die de cel van zijn omgeving scheidt. Cellen bevatten ook interne membranen die de afzonderlijke componenten van elkaar scheiden en de beweging van stoffen tussen de verschillende interne ruimtes regelen. cholesterol, een vetachtige substantie, is een belangrijk onderdeel van membranen en zorgt ervoor dat ze goed werken.

Om stoffen te genereren die zich op dezelfde manier gedragen als natuurlijk cholesterol, de organische chemici onder leiding van prof. Frank Glorius synthetiseerden eerst een reeks chemische verbindingen. Als uitgangsstof, ze gebruikten natuurlijk cholesterol, dat werd omgezet in een bepaald organisch zout, een imidazoliumzout. "We wisten al uit eerdere studies dat deze zouten goed interageren met biomoleculen en daarom geschikt zijn voor cellulaire experimenten, " zegt Frank Glorius, die ook het onderzoek leidde.

Om de biofysische eigenschappen van de nieuw gesynthetiseerde verbindingen te vergelijken met die van het natuurlijke cholesterol, de onderzoekers verwerkten de stoffen in synthetische modelmembranen bestaande uit fosfolipiden (deze fosfolipiden vormen het hoofdbestanddeel van membranen). Biochemici en biofysici in de groep van Prof. Dr. Hans-Joachim Galla hebben gemeten hoe de nieuwe stoffen de faseovergangstemperatuur van modelmembranen beïnvloedden, en hoe ze de vloeibaarheid in de fosfolipidelaag bij verschillende temperaturen veranderden. "Na evaluatie van de gegevens, we kwamen uiteindelijk uit op drie verbindingen die zeer vergelijkbare eigenschappen vertoonden als die van natuurlijk cholesterol, " zegt Lena Rakers, een doctoraat student Organische Chemie en een van de twee eerste auteurs van de studie.

De onderzoekers selecteerden deze verbindingen om ze te onderzoeken in levende celmembranen, daardoor bestuderen ze in nog complexere structuren. Voor dit doeleinde, ze gebruikten culturen van menselijke epitheelcellen - HeLa-cellen - evenals cellen uit menselijke bloedvaten, HUVEC-cellen. Door hun structuur, de nieuw gesynthetiseerde stoffen pasten goed in de celmembranen. Met behulp van oppervlaktemassaspectrometrie, de onderzoekers maten de moleculen in het membraan en konden aantonen dat de verbindingen zich op een vergelijkbare manier gedroegen als natuurlijk cholesterol in levende cellen, te.

Door zijn structuur, een van de nieuwe stoffen zou kunnen worden gelabeld met fluorescerende kleurstoffen. Hiertoe, de onderzoekers bevestigden een azidegroep op de stof. Vervolgens koppelden ze de kleurstoffen aan deze azidegroep met behulp van click-chemie - een effectieve methode waarmee moleculaire componenten op basis van enkele chemische reacties kunnen worden samengevoegd. Eindelijk, de biochemici visualiseerden de stof in levende cellen met behulp van confocale microscopie met hoge resolutie. Op deze manier, ze waren in staat om de distributie en dynamische veranderingen te observeren. "Deze analyses toonden ook aan dat de nieuwe verbinding zich analoog aan cellulair cholesterol gedroeg, " zegt David Grill, een doctoraat student Biochemie en de andere eerste auteur van de studie. Een groot voordeel van de nieuwe methode is dat gedurende het hele proces, de componenten en de eigenschappen van het celmembraan bleven onbeschadigd.

In de toekomst, de onderzoekers willen hun methode verder ontwikkelen en de nieuwe stoffen testen in verdere cellulaire studies met behulp van microscopische beeldvormende methoden. Een van hun doelen is om via klikchemie fluorescerende kleurstoffen en andere moleculen aan de nieuwe verbindingen te hechten om selectieve veranderingen in het membraan aan te brengen.