Varje mänsklig cell är innesluten i ett fem nanometer tjockt lipidmembran som skyddar den från den omgivande miljön. Som en grindvakt, membranet bestämmer vilka joner och molekyler som kan passera. Därvid, den säkerställer cellens välbefinnande och stabilitet och låter den kommunicera via elektriska signaler.

Forskare från Laboratory for fundamental BioPhotonics (LBP) vid EPFLs School of Engineering kunde spåra dessa rörliga laddningar i realtid på ett helt icke-invasivt sätt. Istället för att observera själva membranen, de tittade på de omgivande vattenmolekylerna, som, förutom att hålla membranet intakt, ändra orientering i närvaro av elektriska laddningar. Så genom att "läsa" deras ståndpunkt, forskarna kunde skapa en dynamisk karta över hur laddningar transporteras över ett membran.

Forskarnas metod har precis publicerats i tidskriften Proceedings of the National Academy of Sciences ( PNAS ). Det kan belysa hur jonkanaler fungerar, tillsammans med andra processer som fungerar i membran. Denna kliniskt gångbara metod kan potentiellt också användas för att direkt spåra jonaktivitet i neuroner, vilket skulle fördjupa forskarnas kunskap om hur nervceller fungerar. "Vattenmolekyler kan hittas varhelst det finns lipidmembran, som behöver dessa molekyler för att existera, säger Sylvie Roke, chef för LBP. "Men tills nu, de flesta studier på membran tittade inte på dessa molekyler. Vi har visat att de innehåller viktig information."

Forskarna gjorde detta genom att använda ett unikt sekundärt mikroskop som uppfanns vid LBP. Avbildningseffektiviteten för detta mikroskop är mer än tre storleksordningar större än den för befintliga andra-harmoniska mikroskop. Med detta mikroskop, forskarna fick bilder av vattenmolekyler i en tidsskala av 100 millisekunder.

För att undersöka lipidmembranens hydrering, forskarna kombinerar två lasrar med samma frekvens (femtosekundspulser) i en process som genererar fotoner med en annan frekvens:detta kallas andra harmoniskt ljus. Den genereras endast vid gränssnitt och avslöjar information om orienteringen av vattenmolekyler. "Vi kan observera vad som händer på plats, och vi behöver inte modifiera miljön eller använda skrymmande markörer som fluoroforer som skulle störa vattenmolekylers rörelse, säger Orly Tarun, publikationens huvudförfattare.

Med denna metod, forskarna observerade laddningsfluktuationer i membran. Sådana fluktuationer var tidigare okända och antyder mycket mer komplext kemiskt och fysikaliskt beteende än vad som för närvarande anses.