Onderzoekers van de Martin Luther Universiteit Halle-Wittenberg (MLU) en het Helmholtz Instituut in Jena hebben met succes de warmteproductie lokaal in levende cellen gemeten met behulp van thermometers van nanoformaat. Met behulp van een nieuwe, zeer gevoelige meetmethode konden ze direct en contactloos de temperatuur meten op specifieke punten in het celmembraan van menselijke cellen. Deze methode brengt voorheen niet waargenomen temperatuurverschillen binnen cellen aan het licht, die een rol spelen bij veel cellulaire processen. Het team van onderzoekers, onder leiding van experimenteel natuurkundige professor Jörg Enderlein, hoopt dat dit hen een beter inzicht zal geven in bepaalde vormen van kanker. De onderzoekers publiceerden hun bevindingen in het wetenschappelijke tijdschrift ‘Nature Nanotechnology’.

Eiwitten zijn belangrijke biomoleculen die vrijwel alle cellulaire processen controleren. Deze nanomachines voeren hun specifieke taken uit op bepaalde posities binnen het celmembraan, waar ze belangrijke taken vervullen zoals het controleren van de uitwisseling van stoffen met de buitenwereld. De eiwitten produceren bij het uitvoeren van deze taken kleine hoeveelheden warmte, die kan worden gemeten met behulp van geschikte kleine thermometers in de buurt van de moleculen.

"De uitdaging is dat de warmtestroomsnelheden die hier optreden extreem laag zijn, waardoor dergelijke lokale temperatuurmetingen in levende cellen vrijwel onmogelijk zijn geworden", legt Jörg Enderlein uit. Met hun nieuwe meetproces zijn de onderzoekers erin geslaagd deze uitdaging te overwinnen en voor het eerst een directe meting te maken van de warmteproductie in een celmembraan zoals die van nature voorkomt.

Ze bevestigden nanosondes aan moleculen in het celmembraan. Deze nanosondes, slechts een paar miljardste van een meter groot, fungeren als miniatuurthermometers die temperatuurveranderingen meten met behulp van een fluorescerende kleurstof. "Om deze sondes zichtbaar te maken, hebben we superresolutiemicroscopie gebruikt", zegt promovendus Christoph Rau, de hoofdauteur van het onderzoek. Hierdoor kunnen de positie- en temperatuurschommelingen van de sondes in de cel nauwkeurig worden bepaald.

Het team van onderzoekers ontdekte dat de temperatuur op specifieke punten op het celmembraan aanzienlijk fluctueert, met verschillen zelfs binnen een paar miljardsten van een meter, terwijl een protonpompmolecuul zijn taken uitvoert (een membraaneiwit dat protonen door het celmembraan transporteert). "Voor het eerst hebben we de lokalisatiespecifieke visualisatie en kwantificering van de warmtedissipatie van individuele membraaneiwitten in levende cellen bereikt", legt Rau uit.

Met hun zeer gevoelige meetmethoden kunnen de onderzoekers uit Halle de temperatuur meten in een volume dat duizend keer kleiner is dan een enkele cel. Een potentieel voordeel hiervan is het vermogen om zeer vroege tekenen van kanker te detecteren. “Bij veel vormen van kanker is de functie van membraaneiwitten veranderd, wat leidt tot veranderingen in het warmteproductieprofiel in het celmembraan. Dit maakt het denkbaar om in de toekomst nanothermometrie te gebruiken als basis voor een nieuwe beeldvormingsmethode voor kankerdiagnostiek. ”, zegt Jörg Enderlein.