Voor degenen die niet betrokken zijn bij scheikunde of biologie, het voorstellen van een cel doet waarschijnlijk denken aan verschillende discrete, kloddervormige objecten; misschien de kern, mitochondriën, ribosomen en dergelijke.

Er is één onderdeel dat vaak over het hoofd wordt gezien, behalve misschien een kronkelende lijn die de grens van de cel aangeeft:het membraan. Maar zijn rol als poortwachter is essentieel, en een nieuwe beeldvormingstechniek die is ontwikkeld aan de McKelvey School of Engineering aan de Washington University in St. Louis, biedt een manier om te kijken naar, in tegenstelling tot door, deze transparante, vet, beschermende behuizing.

De nieuwe techniek, ontwikkeld in het lab van Matthew Lew, assistent-professor in de Preston M. Green Department of Electrical and Systems Engineering, stelt onderzoekers in staat om verzamelingen van lipidemoleculen van dezelfde fase te onderscheiden - de verzamelingen worden nanodomeinen genoemd - en om de chemische samenstelling binnen die domeinen te bepalen.

De details van deze techniek:lokalisatiemicroscopie met één molecuuloriëntatie, of SMOLM—werden online gepubliceerd op 21 augustus in Angewandte Chemie , het tijdschrift van de Duitse Chemische Vereniging.

Redacteuren van het tijdschrift - een toonaangevende in de algemene chemie - selecteerden Lew's paper als een "Hot Paper" over het onderwerp nanoschaalpapier. Hot Papers onderscheiden zich door hun belang in een snel evoluerend veld van grote belangstelling.

Met behulp van traditionele beeldtechnologieën, het is moeilijk om te zeggen wat "binnen" versus "buiten" een squishy is, transparant object zoals een celmembraan, Lew zei, vooral zonder het te vernietigen.

"We wilden een manier om in het membraan te kijken zonder traditionele methoden" - zoals het inbrengen van een fluorescerende tracer en kijken hoe deze door het membraan beweegt of met behulp van massaspectrometrie - "die het zou vernietigen, ' zei Lew.

Om het membraan te onderzoeken zonder het te vernietigen, Jin Lu, een postdoctoraal onderzoeker in het lab van Lew, ook een fluorescerende sonde gebruikt. In plaats van een pad door het membraan te moeten volgen, echter, deze nieuwe techniek maakt gebruik van het licht dat wordt uitgezonden door een fluorescerende sonde om direct te "zien" waar de sonde zich bevindt en waar deze in het membraan "puntig" is. De oriëntatie van de sonde onthult informatie over zowel de fase van het membraan als de chemische samenstelling ervan.

"In celmembranen, er zijn veel verschillende lipidemoleculen, " zei Lu. "Sommige vormen vloeibaar, sommige vormen een meer vaste of gelfase."

Moleculen in een vaste fase zijn star en hun beweging beperkt. Zij zijn, met andere woorden, besteld. Als ze in een vloeibare fase zijn, echter, ze hebben meer vrijheid om te roteren; ze bevinden zich in een ongeordende fase.

Met behulp van een model lipide dubbellaag om een ​​celmembraan na te bootsen, Lu voegde een oplossing van fluorescerende sondes toe, zoals Nijlrood, en gebruikten een microscoop om de sondes kort aan het membraan te zien hechten.

De beweging van een sonde terwijl deze aan het membraan is bevestigd, wordt bepaald door zijn omgeving. Als omringende moleculen zich in een ongeordende fase bevinden, de sonde heeft ruimte om te wiebelen. Als de omringende moleculen zich in een geordende fase bevinden, de sonde, zoals de nabijgelegen moleculen, is gemaakt.

Als er licht op het systeem schijnt, de sonde geeft fotonen vrij. Een eerder in het Lew-lab ontwikkelde beeldvormingsmethode analyseert vervolgens dat licht om de oriëntatie van het molecuul te bepalen en of het vast of roterend is.

"Ons beeldvormingssysteem vangt het uitgestraalde licht van enkele fluorescerende moleculen en buigt het licht om speciale patronen op de camera te produceren, ' zei Lu.

"Op basis van het beeld, we kennen de oriëntatie van de sonde en we weten of hij roteert of vast is, " en daarom, of het nu ingebed is in een geordend nanodomein of niet.

Door dit proces honderdduizenden keren te herhalen, is voldoende informatie beschikbaar om een ​​gedetailleerde kaart te maken, toont de geordende nanodomeinen omgeven door de oceaan van de ongeordende vloeibare gebieden van het membraan.

De fluorescerende sonde die Lu gebruikte, Nijl rood, kan ook onderscheid maken tussen lipidederivaten binnen dezelfde nanodomeinen. In deze context, hun gekozen fluorescerende sonde kan zien of de lipidemoleculen al dan niet gehydrolyseerd zijn wanneer een bepaald enzym aanwezig was.

"Deze lipide, genaamd sfingomyeline, is een van de kritische componenten die betrokken zijn bij de vorming van nanodomeinen in celmembraan. Een enzym kan een sfingomyelinemolecuul omzetten in ceramide, " zei Lu. "Wij geloven dat deze omzetting de manier verandert waarop het sondemolecuul in het membraan draait. Onze beeldvormingsmethode kan onderscheid maken tussen de twee, zelfs als ze in hetzelfde nanodomein blijven."

Deze resolutie, een enkel molecuul in model lipide dubbellaag, kan niet worden bereikt met conventionele beeldvormingstechnieken.

Deze nieuwe SMOLM-techniek kan interacties tussen verschillende lipidemoleculen oplossen, enzymen en fluorescerende sondes met details die nog nooit eerder zijn bereikt. Dit is vooral belangrijk op het gebied van de chemie van zachte materie.

"Op deze schaal waar moleculen constant in beweging zijn, alles is zelf geregeld, "Zei Lew. Het is niet zoals solid-state elektronica waarbij elk onderdeel op een specifieke en vooral statische manier is aangesloten.

"Elk molecuul voelt krachten van de mensen eromheen; dat is wat bepaalt hoe een bepaald molecuul zal bewegen en zijn functies zal uitvoeren."

Individuele moleculen kunnen zich organiseren in deze nanodomeinen die, collectief, kan bepaalde dingen remmen of aanmoedigen, zoals iets een cel binnen laten gaan of het buiten houden.

"Dit zijn processen die notoir moeilijk direct waar te nemen zijn, " zei Lew. "Nu, alles wat je nodig hebt is een fluorescerend molecuul. Omdat het is ingebed, zijn eigen bewegingen vertellen ons iets over wat er omheen is."