新的成像技术有助于解析细胞膜中的纳米域和化学成分

对于那些不涉及化学或生物学的人来说，想象一个细胞可能会让人想到几个离散的、斑点状的物体;也许是细胞核、线粒体、核糖体等。有一个部分经常被忽视，除了一条指示细胞边界的波浪线：细胞膜。但它作为看门人的角色是必不可少的，圣路易斯华盛顿大学麦凯维工程学院开发的一种新的成像技术提供了一种方式来观察这种透明的、脂肪的保护外壳，而不是透过它。

这项新技术由 Preston M. Green 电气和系统工程系助理教授 Matthew Lew 的实验室开发，使研究人员能够区分同相脂质分子的集合——这些集合称为纳米域——并确定这些领域内的化学成分。

这项技术的细节——单分子定向定位显微镜，或 SMOLM——于 8 月 21 日在线发表在德国化学学会期刊Angewandte Chemie 上。

该期刊的编辑——一般化学领域的领先者——将 Lew 的论文选为纳米级论文主题的“热门论文”。热门论文因其在快速发展的高度关注领域中的重要性而著称。

Lew 说，使用传统的成像技术，很难分辨像细胞膜这样的柔软透明物体的“内部”和“外部” ，尤其是在不破坏它的情况下。

“我们想要一种无需传统方法就能看到膜的方法”——例如插入荧光示踪剂并观察它穿过膜或使用质谱法——“这会破坏它，”Lew 说。

为了在不破坏膜的情况下探测膜，Lew 实验室的博士后研究员 Jin Lu 还使用了荧光探针。然而，这项新技术不必追踪穿过膜的路径，而是使用荧光探针发出的光直接“看到”探针在膜中的位置和“指向”的位置。探针的方向揭示了有关膜相及其化学成分的信息。

“在细胞膜中，有许多不同的脂质分子，”卢说。“一些形成液体，一些形成更固体或凝胶相。”

固相中的分子是刚性的，它们的运动受到限制。换句话说，它们是有序的。然而，当它们处于液相时，它们有更多的旋转自由;他们处于无序阶段。

使用模型脂质双层来模拟细胞膜，Lu 添加了荧光探针(如尼罗红)溶液，并使用显微镜观察探针短暂附着在细胞膜上。

探头附着在膜上时的运动由其环境决定。如果周围的分子处于无序状态，则探针有摆动的空间。如果周围的分子处于有序相中，则探针与附近的分子一样是固定的。

图片来源：圣路易斯华盛顿大学

当光线照射到系统上时，探针会释放光子。Lew 实验室先前开发的一种成像方法然后分析该光以确定分子的方向以及它是固定的还是旋转的。

“我们的成像系统捕获单个荧光分子发出的光，并将光弯曲以在相机上产生特殊的图案，”卢说。

“基于图像，我们知道探针的方向，我们知道它是旋转还是固定，”因此，它是否嵌入有序的纳米域中。

重复这个过程数十万次提供了足够的信息来构建详细的地图，显示被膜的无序液体区域的海洋包围的有序纳米域。

Lu 使用的荧光探针尼罗红也能够区分相同纳米域内的脂质衍生物。在这种情况下，他们选择的荧光探针可以判断当存在某种酶时脂质分子是否被水解。

“这种名为鞘磷脂的脂质是参与细胞膜纳米域形成的关键成分之一。一种酶可以将鞘磷脂分子转化为神经酰胺，”卢说。“我们相信这种转换改变了探针分子在膜中旋转的方式。我们的成像方法可以区分两者，即使它们留在同一个纳米域中。”

这种分辨率，模型脂双层中的单个分子，无法用传统的成像技术实现。

这种新的 SMOLM 技术可以以前所未有的细节解析各种脂质分子、酶和荧光探针之间的相互作用。这在软物质化学领域尤其重要。

“在这种规模上，分子不断移动，一切都是自组织的，”卢说。它不像固态电子设备，其中每个组件都以特定且重要的静态方式连接。

“每个分子都会感受到来自它周围的力;这决定了特定分子将如何移动并执行其功能。”

单个分子可以组织成这些纳米域，这些纳米域可以共同抑制或鼓励某些事情——比如允许某些东西进入细胞或将其保持在外面。

“这些过程是出了名的难以直接观察，”Lew 说。“现在，你只需要一个荧光分子。因为它是嵌入的，它自己的运动告诉我们一些关于它周围的东西。”

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