Hvad er frysefraktur, og hvorfor er det nyttigt i cellebiologi?

Cellemembraner består af phospholipider og bundne eller indlejrede proteiner. Membranproteiner spiller vigtige roller i cellens metabolisme og liv. Du kan ikke bruge almindelig mikroskopi til at visualisere eller karakterisere adhæsionsproteiner, transportproteiner og proteinkanaler i cellemembranen. Ved hjælp af elektronmikroskopi og en teknik kaldet "frysefraktur", som opdeler frosne cellemembraner, muliggør visualisering af membranstrukturen og organiseringen af proteiner i havet af phospholipider. Kombination af andre metoder med frysefraktur hjælper os ikke kun med at forstå strukturen i forskellige cellemembraner og membranproteiner, men det muliggør visualisering og detaljeret analyse af funktionen af specifikke proteiner, bakterier og vira.
Grundlæggende trin i frysefraktur

Ved anvendelse af flydende nitrogen fryses biologiske vævsprøver eller celler hurtigt til immobilisering af cellebestanddele. Cellemembraner er sammensat af to lag af phospholipider, kaldet et dobbeltlag, hvor de hydrofobe eller vandhatende lipidhaler peger mod indersiden af membranen og de hydrofile eller vandelskende ender af lipidmolekylet peger udad og mod indersiden af cellen. Den frosne prøve krakkes eller sprækkes med et mikrotom, som er et knivlignende instrument til at skære tynde vævsskiver. Dette får cellemembranen til at splitte nøjagtigt mellem de to lag, fordi tiltrækningen mellem de hydrofobe lipidtaler repræsenterer det svageste punkt. Efter brud gennemgår prøven en vakuumprocedure, kaldet "fryse ætsning." Overfladen af den brudte prøve er skraveret med kulstof- og platindamp til dannelse af en stabil kopi, der følger konturerne af brudplanet. Syre bruges til at fordøje organisk materiale, der klæber til replikaen, hvilket efterlader et tyndt platinaskal af den brudte membranoverflade. Denne skal analyseres derefter ved elektronmikroskopi.
Frys ætsning

Frys ætsning er vakuumtørring af en ufiks, frosset og frysefraktureret biologisk prøve. Proceduren for vakuumtørring svarer til frysetørring af frugt og grøntsager, der pakkes og sælges i købmandsforretninger. Uden fryseetning skjules mange detaljer i cellestruktur af iskrystaller. Trinnet med dyb- eller fryse-ætsning forbedrer og udvider den originale frysebruddsmetode, hvilket tillader observation af cellemembraner under forskellige aktiviteter. Det muliggør analyse af ikke kun membranstrukturen, men også af intracellulære komponenter og giver detaljeret strukturel information om bakterier, vira og store cellulære proteinkomplekser.
Elektronmikroskopi

Elektronmikroskopi kan afsløre og forstørre mere end en million gange de mindste organismer eller strukturer, såsom bakterier, vira, intracellulære komponenter og endda proteiner. Visualisering oprettes ved at bombardere en ultratynd prøve med en stråle af elektroner. De to elektronmikroskopimetoder er scanning af elektronmikroskopi eller SEM og transmissionselektronmikroskopi eller TEM. Frysebruddsprøver analyseres rutinemæssigt med TEM. TEM har bedre opløsning end SEM og tilbyder strukturel information ned til 3 nanometer replika.
Revealing Cell Membrane Structure

Udviklingen og anvendelsen af frysebruddelektronmikroskopi viste, at celleplasmamembraner består af lipid-dobbeltlag og afklaret, hvordan proteiner er organiseret i cellemembraner. Frysebrudd giver et unikt blik på det indre af cellemembraner, fordi det opdeler og adskiller membranphospholipider i to modsatte og komplementære lag eller flader. I de mere end 50 år siden introduktionen af den første frysebruddsmaskine er fremstilling af en platineaplika stadig den eneste måde at opnå strukturel information om cellemembranen. Teknikken viser, om specifikke proteiner flyder eller er forankrede i cellemembranen, og om og hvordan nogle proteiner samles. En nyere metode - ved anvendelse af antistoffer, der er målrettet mod specifikke proteiner - kombineres med frysefraktur til identifikation af proteiner og deres funktion i cellemembranen.