Utbyte av material och information på nivån för enskilda celler kräver transport och signalering i nivå med plasmamembranet som omsluter cellen. Att studera mekanismer i så små dimensioner ställer forskare inför enorma utmaningar. Nyligen, forskare ville bestämma funktionen och fördelningen av kolesterol, en viktig komponent i membranet. Än så länge, kolesterol kan endast märkas i mycket begränsad utsträckning med fluorescerande färgämnen, som kan visualiseras under mikroskopet utan att skada membranet. Forskare vid universitetet i Münster (Tyskland) har nu utvecklat en metod för att kringgå dessa svårigheter. De syntetiserade en ny förening med egenskaper som liknar kolesterolets, men som kan märkas med färgämnen och visualiseras i levande celler. Där, föreningen härmar realistiskt beteendet hos naturligt kolesterol.

"Vårt nya tillvägagångssätt erbjuder enorm potential för avbildning av membrandynamik i levande celler, " säger prof. Volker Gerke, en av studiens ledare. Arbetet är resultatet av en tvärvetenskaplig studie med organiska kemister, biokemister och biofysiker. Studien visas i det aktuella numret av tidskriften Cellkemisk biologi .

Celler i kroppen är inneslutna i ett slags skyddande hölje, plasmamembranet, som skiljer cellen från dess omgivning. Celler innehåller också inre membran som skiljer de enskilda komponenterna från varandra och reglerar rörelsen av ämnen mellan de olika inre utrymmena. Kolesterol, ett fettliknande ämne, är en viktig komponent i membran som säkerställer att de fungerar korrekt.

För att generera ämnen som beter sig på samma sätt som naturligt kolesterol, de organiska kemisterna ledda av prof. Frank Glorius syntetiserade först en serie kemiska föreningar. Som utgångsämne, de använde naturligt kolesterol, som omvandlades till ett visst organiskt salt, ett imidazoliumsalt. "Vi visste redan från tidigare studier att dessa salter interagerar bra med biomolekyler och därför är lämpliga för cellulära experiment, säger Frank Glorius, som också ledde studien.

För att jämföra de biofysiska egenskaperna hos de nysyntetiserade föreningarna med det naturliga kolesterolet, forskarna införlivade ämnena i syntetiska modellmembran som består av fosfolipider (dessa fosfolipider utgör huvudkomponenten i membran). Biokemister och biofysiker i gruppen av Prof. Dr. Hans-Joachim Galla mätte hur de nya ämnena påverkade fasövergångstemperaturen hos modellmembran, och hur de ändrade fluiditeten i fosfolipidskiktet vid olika temperaturer. "Efter att ha utvärderat uppgifterna, slutligen bestämde vi oss för tre föreningar som uppvisade mycket liknande egenskaper som naturligt kolesterol, säger Lena Rakers, en doktorsexamen student i organisk kemi och en av de två första författarna till studien.

Forskarna valde dessa föreningar för att undersöka dem i levande cellulära membran, därigenom studera dem i ännu mer komplexa strukturer. För det här syftet, de använde kulturer av mänskliga epitelceller – HeLa-celler – såväl som celler från mänskliga blodkärl, HUVEC-celler. På grund av deras struktur, de nysyntetiserade substanserna passade väl in i cellmembranen. Med hjälp av ytmassespektrometri, forskarna mätte molekylerna i membranet och kunde visa att föreningarna uppförde sig på ett mycket liknande sätt som naturligt kolesterol i levande celler, för.

På grund av dess struktur, ett av de nya ämnena kan märkas med fluorescerande färgämnen. För detta ändamål, forskarna fäste en azidgrupp på substansen. De kopplade sedan färgämnena till denna azidgrupp med hjälp av klickkemi - en effektiv metod som gör det möjligt att sammanfoga molekylära komponenter på basis av några kemiska reaktioner. Till sist, biokemisterna visualiserade ämnet i levande celler med hjälp av högupplöst konfokalmikroskopi. På det här sättet, de kunde observera dess distribution och dynamiska förändringar. "Dessa analyser visade också att den nya föreningen uppförde sig analogt med cellulärt kolesterol, " säger David Grill, en doktorsexamen student i biokemi och den andra författaren till studien. En stor fördel med den nya metoden är att under hela processen, komponenterna och egenskaperna hos cellmembranet förblev oskadade.

I framtiden, forskarna vill fortsätta att utveckla sin metod och testa de nya substanserna i ytterligare cellulära studier med mikroskopiska avbildningsmetoder. Ett av deras syften är att använda klickkemi för att fästa fluorescerande färgämnen och andra molekyler till de nya föreningarna för att introducera selektiva förändringar i membranet.