Elektricitet är en nyckelingrediens i levande kroppar. Vi vet att spänningsskillnader är viktiga i biologiska system; de driver hjärtats slag och tillåter neuroner att kommunicera med varandra. Men i decennier, det var inte möjligt att mäta spänningsskillnader mellan organeller – de membranlindade strukturerna inuti cellen – och resten av cellen.

En banbrytande teknik skapad av UChicago-forskare, dock, gör det möjligt för forskare att titta in i celler för att se hur många olika organeller som använder spänningar för att utföra funktioner.

"Forskare hade under lång tid märkt att laddade färgämnen som används för att färga celler skulle fastna i mitokondrierna, " förklarade doktoranden Anand Saminathan, den första författaren till tidningen, som publicerades i Naturens nanoteknik . "Men lite arbete har gjorts för att undersöka membranpotentialen hos andra organeller i levande celler."

Krishnan-labbet vid UChicago är specialiserat på att bygga små sensorer för att resa inuti celler och rapportera tillbaka om vad som händer, så att forskare kan förstå hur celler fungerar – och hur de bryts ner i sjukdomar eller störningar. Tidigare, de har byggt sådana maskiner för att studera neuroner och lysosomer, bland andra.

I detta fall, de bestämde sig för att använda tekniken för att undersöka den elektriska aktiviteten hos organellerna inuti levande celler.

I neuronernas membran, det finns proteiner som kallas jonkanaler som fungerar som portar för laddade joner att komma in och ut ur cellen. Dessa kanaler är viktiga för att neuroner ska kunna kommunicera. Tidigare forskning har visat att organeller har liknande jonkanaler, men vi var inte säkra på vilka roller de spelade.

Forskarnas nya verktyg, kallas Voltair, gör det möjligt att utforska denna fråga ytterligare. Den fungerar som en voltmeter som mäter spänningsskillnaden mellan två olika områden inuti en cell. Voltair är konstruerad av DNA, vilket innebär att den kan gå direkt in i cellen och komma åt djupare strukturer.

I sina inledande studier, forskarna letade efter membranpotentialer – en skillnad i spänning inuti en organell jämfört med utanför. De hittade bevis för sådana potentialer i flera organeller, såsom trans-Golgi-nätverk och återvinning av endosomer, som tidigare ansågs inte ha membranpotentialer alls.

"Så jag tror att membranpotentialen i organeller kan spela en större roll - det kanske hjälper organeller att kommunicera, " sa Prof. Yamuna Krishnan, en expert på nukleinsyrabaserade molekylära enheter.

Deras studier är bara början, sa författarna; Voltair erbjuder ett sätt för forskare inom många områden att svara på frågor som de aldrig ens har kunnat ställa. Den kan till och med användas i växter.

"Denna nya utveckling kommer åtminstone att starta konversationer, och kan till och med inspirera till ett nytt forskningsfält, sa Saminathan.