Biofysici van de Universiteit Utrecht hebben een strategie ontwikkeld om lichtemitterende nanokristallen te gebruiken als marker in levende cellen. Door de bewegingen van deze kwantumstippen te registreren, ze kunnen de structuur en dynamiek van het cytoskelet verduidelijken. Hun bevindingen zijn vandaag gepubliceerd in Natuurcommunicatie .

De quantum dots die de onderzoekers gebruiken zijn deeltjes van halfgeleidend materiaal van slechts enkele nanometers breed, en zijn het onderwerp van grote belangstelling vanwege hun potentieel voor gebruik in fotovoltaïsche cellen of computers. "Het mooie van deze deeltjes is dat ze licht absorberen en in een andere kleur uitstralen, ", legt onderzoeksleider Lukas Kapitein uit. "Die eigenschap gebruiken we om met een microscoop hun bewegingen door de cel te volgen."

Maar om dat te doen, de quantum dots moesten in de cel worden ingebracht. De meeste huidige technieken resulteren in stippen die zich in microscopisch kleine blaasjes bevinden, omgeven door een membraan, maar dit verhindert dat ze vrij kunnen bewegen. Echter, de onderzoekers slaagden erin de deeltjes rechtstreeks in gekweekte cellen af ​​te leveren door een sterk elektromagnetisch veld aan te leggen dat tijdelijke openingen in het celmembraan creëerde. In hun artikel, ze beschrijven hoe dit elektroporatieproces hen in staat stelde de kwantumstippen in de cel te plaatsen.

Extreem helder

Eenmaal ingevoegd, de quantum dots beginnen te bewegen onder invloed van diffusie. Kapitein:"Sinds Einstein, we weten dat de beweging van zichtbare deeltjes informatie kan verschaffen over de eigenschappen van de oplossing waarin ze bewegen. Eerder onderzoek heeft aangetoond dat deeltjes vrij langzaam in de cel bewegen, wat aangeeft dat het cytoplasma een viskeuze vloeistof is. Maar omdat onze deeltjes extreem helder zijn, we konden ze met hoge snelheid filmen, en we zagen dat veel deeltjes ook veel snellere bewegingen maken die tot nu toe onzichtbaar waren. We namen de bewegingen op met 400 frames per minuut, meer dan 10 keer sneller dan normale video. Bij die meetsnelheid zagen we dat sommige kwantumstippen in feite heel langzaam bewegen, maar anderen kunnen heel snel zijn."

Kapitein is vooral geïnteresseerd in de ruimtelijke verdeling tussen de langzame en snelle quantum dots:aan de randen van de cel, de vloeistof lijkt erg stroperig, maar dieper in de cel observeerde hij veel snellere deeltjes. Kapitein:"We hebben aangetoond dat de langzame beweging plaatsvindt omdat de deeltjes worden gevangen in een dynamisch netwerk van eiwittubuli, actinefilamenten genaamd, die vaker voorkomen in de buurt van het celmembraan. Dus de deeltjes moeten door de gaten in dat netwerk bewegen."

Motor eiwitten

Naast het bestuderen van dit passieve transportproces, de onderzoekers hebben een techniek ontwikkeld om de quantum dots actief te verplaatsen door ze te binden aan verschillende specifieke motoreiwitten. Deze motoreiwitten bewegen langs microtubuli, de andere filamenten in het cytoskelet, en zijn verantwoordelijk voor het transport binnen de cel. Hierdoor konden ze bestuderen hoe dit transport wordt beïnvloed door de dichte lay-out van het actinenetwerk nabij het celmembraan. Ze merkten op dat dit verschilt voor verschillende soorten motoreiwit, omdat ze langs verschillende soorten microtubuli bewegen. Kapitein:"Actief en passief transport zijn beide erg belangrijk voor het functioneren van de cel, dus zijn er verschillende natuurkundige modellen voorgesteld voor transport binnen de cel. Onze resultaten laten zien dat dergelijke fysieke modellen ook rekening moeten houden met de ruimtelijke variaties in de cellulaire samenstelling."