Forskare från Martin Luther University Halle-Wittenberg (MLU) och Helmholtz-institutet i Jena har framgångsrikt mätt värmeproduktion lokalt i levande celler med hjälp av nanostora termometrar. Med hjälp av en ny, mycket känslig mätmetod kunde de direkt och kontaktlöst mäta temperaturen på specifika punkter i cellmembranet hos mänskliga celler. Denna metod avslöjar tidigare ej observerade temperaturskillnader inom celler, vilket spelar en roll i många cellulära processer. Teamet av forskare, ledda av experimentfysikern professor Jörg Enderlein, hoppas att detta ska ge dem en bättre förståelse för vissa former av cancer. Forskarna publicerade sina resultat i den vetenskapliga tidskriften "Nature Nanotechnology".

Proteiner är viktiga biomolekyler som styr nästan alla cellulära processer. Dessa nanomaskiner utför sina specifika uppgifter på vissa positioner inom cellmembranet, där de fyller viktiga uppgifter som att kontrollera utbytet av ämnen med omvärlden. Proteinerna producerar små mängder värme när de utför dessa uppgifter, som kan mätas med lämpligt små termometrar i närheten av molekylerna.

"Utmaningen är att värmeflödena som uppstår här är extremt låga, vilket har gjort sådana lokala temperaturmätningar nästan omöjliga i levande celler", förklarar Jörg Enderlein. Med sin nya mätprocess lyckades forskarna övervinna denna utmaning och för första gången göra en direkt mätning av värmeproduktionen i ett cellmembran så som den sker naturligt.

De fäste nanosonder till molekyler i cellmembranet. Dessa nanosonder, bara några miljarder av en meter stora, fungerar som miniatyrtermometrar som mäter temperaturförändringar med hjälp av ett fluorescerande färgämne. "För att visualisera dessa sonder använde vi superupplösningsmikroskopi", säger doktorand Christoph Rau, huvudförfattaren till studien. Detta gör det möjligt att exakt bestämma probernas position och temperaturfluktuationer i cellen.

Teamet av forskare upptäckte att temperaturen fluktuerar avsevärt på specifika punkter på cellmembranet med skillnader även inom några miljarddelar av en meter när en protonpumpsmolekyl utför sina uppgifter (ett membranprotein som transporterar protoner över cellmembranet). "För första gången har vi uppnått lokaliseringsspecifik visualisering och kvantifiering av värmeavledning från individuella membranproteiner i levande celler", förklarar Rau.

Med sina mycket känsliga mätmetoder kan forskarna från Halle mäta temperaturen i en volym som är tusen gånger mindre än en enskild cell. En potentiell fördel med detta är förmågan att upptäcka mycket tidiga tecken på cancer. "I många cancerformer förändras membranproteinernas funktion, vilket leder till förändringar i värmeproduktionsprofilen i cellmembranet. Detta gör det tänkbart att använda nanotermometri som grund för en ny avbildningsmetod för cancerdiagnostik i framtiden. , säger Jörg Enderlein.