L'utilisation des propriétés de la lumière des sondes fluorescentes est au cœur d'une nouvelle technique d'imagerie qui permet un regard sans précédent à l'intérieur des membranes cellulaires. Crédit :Jin Lu
Pour ceux qui ne sont pas impliqués dans la chimie ou la biologie, imaginer une cellule évoque probablement plusieurs éléments discrets, objets en forme de goutte; peut-être le noyau, mitochondries, ribosomes et autres.
Il y a une partie qui est souvent négligée, sauf peut-être une ligne ondulée indiquant la frontière de la cellule :la membrane. Mais son rôle de gardien est essentiel, et une nouvelle technique d'imagerie développée à la McKelvey School of Engineering de l'Université de Washington à St. Louis offre un moyen de voir, par opposition à à travers, ce transparent, gras, boîtier de protection.
La nouvelle technique, développé dans le laboratoire de Matthew Lew, professeur adjoint au département Preston M. Green de génie électrique et des systèmes, permet aux chercheurs de distinguer des collections de molécules lipidiques de la même phase (les collections sont appelées nanodomaines) et de déterminer la composition chimique au sein de ces domaines.
Les détails de cette technique - microscopie de localisation d'orientation de molécule unique, ou SMOLM—ont été publiés en ligne le 21 août dans Angewandte Chemie , le journal de la Société allemande de chimie.
Les rédacteurs en chef de la revue, un chef de file en chimie générale, ont sélectionné l'article de Lew comme « Hot Paper » sur le sujet des articles à l'échelle nanométrique. Les Hot Papers se distinguent par leur importance dans un domaine en évolution rapide et d'un grand intérêt.
En utilisant les technologies d'imagerie traditionnelles, il est difficile de dire ce qui est "à l'intérieur" par rapport à "à l'extérieur" d'un squishy, objet transparent comme une membrane cellulaire, Lew a dit, surtout sans le détruire.
« Nous voulions un moyen de voir à l'intérieur de la membrane sans les méthodes traditionnelles », telles que l'insertion d'un traceur fluorescent et le regarder se déplacer à travers la membrane ou l'utilisation de la spectrométrie de masse – « qui le détruirait, " dit Lew.
Sonder la membrane sans la détruire, Jin Lu, chercheur postdoctoral au laboratoire de Lew, également employé une sonde fluorescente. Au lieu d'avoir à tracer un chemin à travers la membrane, cependant, cette nouvelle technique utilise la lumière émise par une sonde fluorescente pour "voir" directement où se trouve la sonde et où elle est "pointée" dans la membrane. L'orientation de la sonde révèle des informations sur la phase de la membrane et sa composition chimique.
« Dans les membranes cellulaires, il existe de nombreuses molécules lipidiques différentes, " dit Lu. " Certains forment un liquide, certains forment une phase plus solide ou gel."
Les molécules en phase solide sont rigides et leur mouvement contraint. Elles sont, en d'autres termes, commandé. Lorsqu'ils sont en phase liquide, cependant, ils ont plus de liberté de rotation; ils sont dans une phase désordonnée.
En utilisant un modèle de bicouche lipidique pour imiter une membrane cellulaire, Lu a ajouté une solution de sondes fluorescentes, comme le rouge du Nil, et a utilisé un microscope pour observer les sondes se fixer brièvement à la membrane.
Le mouvement d'une sonde lorsqu'elle est attachée à la membrane est déterminé par son environnement. Si les molécules environnantes sont dans une phase désordonnée, la sonde a de la place pour bouger. Si les molécules environnantes sont dans une phase ordonnée, l'enquête, comme les molécules voisines, c'est réglé.
Crédit :Washington University à St. Louis
Lorsque la lumière est allumée sur le système, la sonde libère des photons. Une méthode d'imagerie précédemment développée dans le laboratoire Lew analyse ensuite cette lumière pour déterminer l'orientation de la molécule et si elle est fixe ou en rotation.
"Notre système d'imagerie capture la lumière émise par des molécules fluorescentes uniques et courbe la lumière pour produire des motifs spéciaux sur la caméra, " dit Lu.
« Sur la base de l'image, on connaît l'orientation de la sonde et on sait si elle est rotative ou fixe, " et donc, qu'il soit intégré ou non dans un nanodomaine ordonné.
Répéter ce processus des centaines de milliers de fois fournit suffisamment d'informations pour créer une carte détaillée, montrant les nanodomaines ordonnés entourés par l'océan des régions liquides désordonnées de la membrane.
La sonde fluorescente Lu utilisée, Rouge du Nil, est également capable de distinguer les dérivés lipidiques au sein des mêmes nanodomaines. Dans ce contexte, la sonde fluorescente choisie peut dire si les molécules lipidiques sont hydrolysées ou non lorsqu'une certaine enzyme était présente.
"Ce lipide, nommé sphingomyéline, est l'un des composants critiques impliqués dans la formation de nanodomaines dans la membrane cellulaire. Une enzyme peut convertir une molécule de sphingomyéline en céramide, " Lu dit. "Nous pensons que cette conversion modifie la façon dont la molécule sonde tourne dans la membrane. Notre méthode d'imagerie peut discriminer entre les deux, même s'ils restent dans le même nanodomaine."
Cette résolution, une seule molécule dans la bicouche lipidique modèle, ne peut pas être réalisé avec les techniques d'imagerie conventionnelles.
Cette nouvelle technique SMOLM permet de résoudre les interactions entre différentes molécules lipidiques, enzymes et sondes fluorescentes avec des détails jamais atteints auparavant. Ceci est particulièrement important dans le domaine de la chimie de la matière molle.
« À cette échelle, où les molécules sont en mouvement constant, tout est auto-organisé, " a déclaré Lew. Ce n'est pas comme l'électronique à semi-conducteurs où chaque composant est connecté de manière spécifique et surtout statique.
"Chaque molécule ressent les forces de ceux qui l'entourent; c'est ce qui détermine comment une molécule particulière se déplacera et remplira ses fonctions."
Des molécules individuelles peuvent s'organiser en ces nanodomaines qui, collectivement, peut inhiber ou encourager certaines choses, comme permettre à quelque chose d'entrer dans une cellule ou de le garder à l'extérieur.
"Ce sont des processus qui sont notoirement difficiles à observer directement, " dit Lew. " Maintenant, tout ce dont vous avez besoin est une molécule fluorescente. Parce qu'il est intégré, ses propres mouvements nous disent quelque chose sur ce qui l'entoure."
