För dem som inte är involverade i kemi eller biologi, att föreställa sig en cell leder troligen tankarna till flera diskreta, klumpformade föremål; kanske kärnan, mitokondrier, ribosomer och liknande.

Det finns en del som ofta förbises, spara kanske en snirklig linje som anger cellens gräns:membranet. Men dess roll som grindvakt är en viktig roll, och en ny bildteknik utvecklad vid McKelvey School of Engineering vid Washington University i St. Louis ger ett sätt att se in i, i motsats till genom, denna genomskinliga, fet, skyddande hölje.

Den nya tekniken, utvecklad i Matthew Lews labb, biträdande professor vid Preston M. Green Department of Electrical and Systems Engineering, tillåter forskare att särskilja samlingar av lipidmolekyler i samma fas - samlingarna kallas nanodomäner - och att bestämma den kemiska sammansättningen inom dessa domäner.

Detaljerna i denna teknik - mikroskopi för orientering av en molekyl, eller SMOLM – publicerades online 21 augusti in Angewandte Chemie , tidskriften för German Chemical Society.

Redaktörer för tidskriften - en ledande inom allmän kemi - valde Lews papper som ett "Hot Paper" om ämnet nanoskala papper. Hot Papers kännetecknas av sin betydelse i ett snabbt växande område av högt intresse.

Med hjälp av traditionell bildteknik, det är svårt att säga vad som är "inuti" kontra "utanför" en squishy, genomskinligt föremål som ett cellmembran, Lew sa, speciellt utan att förstöra det.

"Vi ville ha ett sätt att se in i membranet utan traditionella metoder" - som att sätta in ett fluorescerande spårämne och se det röra sig genom membranet eller använda masspektrometri - "som skulle förstöra det, " sa Lew.

Att sondera membranet utan att förstöra det, Jin Lu, en postdoktor i Lews labb, använde också en fluorescerande sond. Istället för att behöva spåra en väg genom membranet, dock, denna nya teknik använder ljuset som emitteras av en fluorescerande sond för att direkt "se" var sonden är och var den är "spetsad" i membranet. Sondens orientering avslöjar information om både membranets fas och dess kemiska sammansättning.

"I cellmembran, det finns många olika lipidmolekyler, " sa Lu. "Några bildar vätska, vissa bildar en mer fast fas eller gelfas."

Molekyler i en fast fas är stela och deras rörelse begränsade. Dom är, med andra ord, beställde. När de är i flytande fas, dock, de har större frihet att rotera; de är i en oordnad fas.

Använda ett modell lipiddubbelskikt för att efterlikna ett cellmembran, Lu tillsatte en lösning av fluorescerande prober, som Nile Red, och använde ett mikroskop för att se proberna kort fästa vid membranet.

En sonds rörelse medan den är fäst vid membranet bestäms av dess omgivning. Om omgivande molekyler är i en oordnad fas, sonden har utrymme att vicka på. Om de omgivande molekylerna är i en ordnad fas, sonden, som närliggande molekyler, är fixad.

När ljus lyser på systemet, sonden släpper ut fotoner. En avbildningsmetod som tidigare utvecklats i Lew-labbet analyserar sedan ljuset för att bestämma orienteringen av molekylen och om den är fixerad eller roterande.

"Vårt bildsystem fångar det emitterade ljuset från enstaka fluorescerande molekyler och böjer ljuset för att producera speciella mönster på kameran, " sa Lu.

"Baserat på bilden, vi vet sondens orientering och vi vet om den är roterande eller fixerad, " och därför, om det är inbäddat i en beställd nanodomän eller inte.

Att upprepa denna process hundratusentals gånger ger tillräckligt med information för att bygga en detaljerad karta, visar de ordnade nanodomänerna omgivna av havet av membranets oordnade flytande regioner.

Den fluorescerande sonden Lu använde, Nilen röd, kan också skilja mellan lipidderivat inom samma nanodomäner. I detta sammanhang, deras valda fluorescerande sond kan berätta om lipidmolekylerna hydrolyseras eller inte när ett visst enzym var närvarande.

"Denna lipid, heter sfingomyelin, är en av de kritiska komponenterna som är involverade i nanodomänbildning i cellmembran. Ett enzym kan omvandla en sfingomyelinmolekyl till ceramid, ", sade Lu. "Vi tror att denna omvandling förändrar hur sondmolekylen roterar i membranet. Vår avbildningsmetod kan skilja mellan de två, även om de stannar i samma nanodomän."

Denna resolution, en enda molekyl i modell lipiddubbelskikt, kan inte åstadkommas med konventionella avbildningstekniker.

Denna nya SMOLM-teknik kan lösa interaktioner mellan olika lipidmolekyler, enzymer och fluorescerande prober med detaljer som aldrig har uppnåtts tidigare. Detta är särskilt viktigt inom kemin av mjuk materia.

"I denna skala, där molekyler ständigt rör sig, allt är självorganiserat, ", sa Lew. Det är inte som solid state-elektronik där varje komponent är ansluten på ett specifikt och framför allt statiskt sätt.

"Varje molekyl känner krafter från de som omger den; det är det som avgör hur en viss molekyl kommer att röra sig och utföra sina funktioner."

Enskilda molekyler kan organisera sig i dessa nanodomäner som, kollektivt, kan hämma eller uppmuntra vissa saker – som att tillåta något att komma in i en cell eller att hålla det utanför.

"Detta är processer som är notoriskt svåra att observera direkt, " sa Lew. "Nu, allt du behöver är en fluorescerande molekyl. Eftersom det är inbäddat, dess egna rörelser säger oss något om vad som finns runt den."