En ny solvatokromisk sond kan bidra till att kasta ljus över förhållandet mellan lipidmembranfluiditet och olika cellulära funktioner, rapporterar forskare vid Tokyo Institute of Technology och Kyushu University. Tack vare en innovativ design erbjuder den föreslagna sonden anmärkningsvärd stabilitet, låg toxicitet och exceptionella fluorescerande egenskaper, vilket gör det möjligt att visualisera förändringar i realtid i lipidmembranordningen under komplexa processer, såsom celldelning.
Resultaten publiceras i tidskriften Advanced Science .
Lipidmembran är mer än bara enkla barriärer som separerar celler och organeller från deras omgivande miljö. De spelar också nyckelroller i flera cellulära funktioner, såsom cellrörelser, materialutbyte, avfallshantering och avkänning.
I allmänhet åstadkommer lipidmembran dessa bedrifter med hjälp av proteiner och andra molekyler, som är intrikat integrerade i membranstrukturen, vilket ofta ändrar dess flytbarhet eller ordning. Följaktligen är studiet av lipidmembranordningen ett viktigt delområde inom cellulär biologi, inte minst eftersom många sjukdomar kan orsaka eller orsakas av abnormiteter i lipidmembranordningen.
För att visualisera lipidmembranfluiditeten använder forskare vanligtvis fluorescerande ämnen som kallas solvatokromiska prober eller färgämnen. Termen "solvatokrom" betyder att ljuset som emitteras av molekylen ändrar färg beroende på polariteten i den omgivande miljön.
Sålunda, när de introduceras i ett lipidmembran, beror färgen som emitteras av dessa färgämnen på lipidmembranordningen, som är nära relaterad till polariteten. Konventionella solvatokroma färgämnen står dock inför flera utmaningar, inklusive låg stabilitet, låga fluorescerande emissioner, celltoxicitet och ett beroende av ultraviolett ljus som excitationskälla.
I studien försökte forskargruppen från Tokyo Institute of Technology och Kyushu University, Japan, övervinna alla dessa hinder. Forskargruppen, ledd av docent Gen-ichi Konishi från Tokyo Tech och professor Junichi Ikenouchi från Kyushu University, utvecklade ett nytt solvatokromiskt färgämne som skulle kunna revolutionera realtidsavbildning av lipider.
För att utveckla sin nya sond undersökte och jämförde teamet först de fotofysiska egenskaperna hos flera olika färgämnen. Efter lite försök och misstag bestämde de sig för en speciell molekylär design som motsvarade alla deras förväntningar. Den slutliga versionen av sonden, 2-N,N-dietylamino-7-(4-metoxikarbonylfenyl)-9,9-dimetylfluoren (FπCM), inkluderade en plan struktur bestående av en elektrondonatordel och en elektronacceptordel sammanfogade av en π-bro. Denna konfiguration underlättade intramolekylära laddningsöverföringar, vilket är avgörande för att definiera molekylens solvatokromiska och fluorescerande egenskaper.
Forskarna utvärderade prestandan hos det föreslagna färgämnet genom en omfattande serie experiment. FπCM visade exceptionella fluorescerande egenskaper och anmärkningsvärd kemisk stabilitet, inte bara i lösningsmedel och artificiella lipidmembran utan även under fysiologiska förhållanden i levande celler.
En av de mest attraktiva aspekterna av det föreslagna färgämnet var dess långsiktiga fotostabilitet, som Dr. Konishi påpekar:"I våra experiment kunde FπCM bestå i ungefär fem timmar, medan Prodan och Laurdan, två väletablerade solvatokromiska färgämnen, skulle vara fullständigt släckt på cirka 30 minuter Det faktum att vi använde relativt intensivt konfokalt laserljus tyder på att FπCM också skulle vara resistent mot det intensiva ljuset som kommer från olika enheter."
Noterbart kunde teamet framgångsrikt observera lipidmembranfluiditet under hela processen med celldelning, vilket antyder att FπCM är icke-toxiskt, till skillnad från andra toppmoderna solvatokromiska färgämnen. Dessutom kan den föreslagna sonden lätt modifieras för att producera FπCM-derivat riktade mot specifika lipidmembran, såsom de som finns i cellulära organeller som mitokondrier och det endoplasmatiska retikulumet.
"Vi tror att undersökning av sambandet mellan membranproteinaktivering som svar på stimuli och spatiotemporala membranfluiditetsövergångar kommer att belysa de mekanismer som ligger bakom olika membranfunktioner", avslutar Dr. Konishi. "Eftersom levande avbildning med FπCM och organellspecifika derivat lätt kan utföras med konventionella konfokalmikroskop, kan membranordning bli en standard, allmänt tillgänglig informationskälla för cellbiologer."
Med lite tur kommer de exceptionella egenskaperna hos FπCM att hjälpa biologer att låsa upp hemligheterna bakom cellernas inre funktion.
Mer information: Takuya Tanaka et al, Fluorescerande Solvatochromic Probes for Long-Term Imaging of Lipid Order in Living Cells, Advanced Science (2024). DOI:10.1002/advs.202309721. onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202309721
Journalinformation: Avancerad vetenskap
Tillhandahålls av Tokyo Institute of Technology
