Wetenschap
Team boekt vooruitgang met fluorescerende kleurstoffen om de volgorde van lipidenmembranen in levende cellen beter te visualiseren
Een nieuwe solvatochrome sonde zou licht kunnen werpen op de relatie tussen de vloeibaarheid van lipidemembranen en verschillende cellulaire functies, rapporteren wetenschappers van het Tokyo Institute of Technology en de Kyushu Universiteit. Dankzij een innovatief ontwerp biedt de voorgestelde sonde opmerkelijke stabiliteit, lage toxiciteit en uitzonderlijke fluorescerende eigenschappen, waardoor het mogelijk wordt om real-time veranderingen in de volgorde van de lipidenmembranen te visualiseren tijdens complexe processen, zoals celdeling.
De bevindingen zijn gepubliceerd in het tijdschrift Advanced Science .
Lipidemembranen zijn meer dan alleen eenvoudige barrières die cellen en organellen scheiden van hun omringende omgeving. Ze spelen ook een sleutelrol in verschillende cellulaire functies, zoals celbeweging, materiaaluitwisseling, afvalbeheer en detectie.
Over het algemeen bereiken lipidemembranen deze prestaties met behulp van eiwitten en andere moleculen, die op ingewikkelde wijze in de membraanstructuur zijn geïntegreerd, waardoor vaak de vloeibaarheid of volgorde ervan wordt gewijzigd. Dienovereenkomstig is de studie van de volgorde van de lipidenmembranen een belangrijk deelgebied in de cellulaire biologie, niet in de laatste plaats omdat veel ziekten afwijkingen in de volgorde van de lipidenmembranen kunnen veroorzaken of kunnen worden veroorzaakt.
Om de vloeibaarheid van het lipidemembraan zichtbaar te maken, gebruiken wetenschappers doorgaans fluorescerende stoffen die bekend staan als solvatochrome probes of kleurstoffen. De term 'solvatochromisch' betekent dat het door het molecuul uitgezonden licht van kleur verandert afhankelijk van de polariteit van de omgeving.
Wanneer ze in een lipidemembraan worden geïntroduceerd, hangt de kleur die door deze kleurstoffen wordt uitgezonden dus af van de volgorde van het lipidemembraan, die nauw verwant is aan de polariteit. Conventionele solvatochrome kleurstoffen worden echter geconfronteerd met verschillende uitdagingen, waaronder lage stabiliteit, lage fluorescentie-emissies, celtoxiciteit en een afhankelijkheid van ultraviolet licht als excitatiebron.
In de studie probeerde het onderzoeksteam van het Tokyo Institute of Technology en de Kyushu Universiteit, Japan, al deze hindernissen te overwinnen. De onderzoeksgroep, onder leiding van universitair hoofddocent Gen-ichi Konishi van Tokyo Tech en professor Junichi Ikenouchi van de Kyushu Universiteit, ontwikkelde een nieuwe solvatochrome kleurstof die een revolutie teweeg zou kunnen brengen in de real-time beeldvorming van lipiden.
Om hun nieuwe sonde te ontwikkelen, onderzocht en vergeleek het team eerst de fotofysische eigenschappen van verschillende kleurstoffen. Na wat vallen en opstaan kwamen ze tot een bepaald moleculair ontwerp dat aan al hun verwachtingen voldeed. De definitieve versie van de sonde, 2-N,N-diethylamino-7-(4-methoxycarbonylfenyl)-9,9-dimethylfluoreen (FπCM), omvatte een vlakke structuur bestaande uit een elektronendonordeel en een elektronenacceptordeel met elkaar verbonden door een π-brug. Deze configuratie vergemakkelijkte intramoleculaire ladingsoverdrachten, die essentieel zijn om de solvatochrome en fluorescente eigenschappen van het molecuul te definiëren.
De onderzoekers evalueerden de prestaties van de voorgestelde kleurstof door middel van een uitgebreide reeks experimenten. FπCM vertoonde uitzonderlijke fluorescerende eigenschappen en opmerkelijke chemische stabiliteit, niet alleen in oplosmiddelen en kunstmatige lipidemembranen, maar ook in fysiologische omstandigheden in levende cellen.
Een van de meest aantrekkelijke aspecten van de voorgestelde kleurstof was de fotostabiliteit op de lange termijn, zoals Dr. Konishi opmerkt:"In onze experimenten kon FπCM ongeveer vijf uur aanhouden, terwijl Prodan en Laurdan, twee gevestigde solvatochrome kleurstoffen, zouden zijn volledig uitgedoofd in ongeveer 30 minuten. Het feit dat we relatief intens confocaal laserlicht hebben gebruikt, suggereert dat FπCM ook bestand zou zijn tegen het intense licht dat uit verschillende apparaten komt."
Het team kon met name met succes de vloeibaarheid van het lipidemembraan observeren tijdens het hele proces van celdeling, wat impliceert dat FπCM niet-toxisch is, in tegenstelling tot andere geavanceerde solvatochrome kleurstoffen. Bovendien kan de voorgestelde probe gemakkelijk worden aangepast om FπCM-derivaten te produceren die zich richten op specifieke lipidemembranen, zoals die gevonden in cellulaire organellen zoals mitochondriën en het endoplasmatisch reticulum.
"Wij geloven dat het onderzoeken van de correlatie tussen membraaneiwitactivatie als reactie op stimuli en spatiotemporele membraanvloeibaarheidsovergangen licht zal werpen op de mechanismen die ten grondslag liggen aan diverse membraanfuncties", concludeert Dr. Konishi. "Aangezien live beeldvorming met FπCM en organel-specifieke derivaten eenvoudig kan worden uitgevoerd met conventionele confocale microscopen, zou membraanvolgorde een standaard, breed toegankelijke informatiebron voor celbiologen kunnen worden."
Met een beetje geluk zullen de uitzonderlijke eigenschappen van FπCM biologen helpen de geheimen achter de innerlijke werking van cellen te ontrafelen.