Neutroner giver det første nanoskala -kig på en levende cellemembran

Et forskerhold fra Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory har udført den første direkte nanoskalaundersøgelse af en levende cellemembran nogensinde. Derved, det løste også en mangeårig debat ved at identificere små grupper af lipidmolekyler, der sandsynligvis er nøglen til cellens funktion.

De udviklede metoder giver en ny eksperimentel platform for biofysiske undersøgelser af membraner og, potentielt, andre cellekomponenter. Det kan vise sig nyttigt til fremtidig forskning om vigtige interaktioner som lægemiddel-membran, biobrændstof-membran, og endda antibiotika-membran interaktioner.

Det tværfaglige projekt - ledet af biofysiker John Katsaras, kemiker Bob Standaert og mikrobiolog James Elkins - blev udført på laboratoriets High Flux Isotope Reactor og Spallation Neutron Source ved hjælp af bakterien Bacillus subtilis . Teamet offentliggjorde sine resultater i tidsskriftet PLoS Biologi .

En cellemembran er et tyndt dobbeltlag af lipidmolekyler, blandt hvilke der findes andre biomolekyler, såsom proteiner. Forskere har været usikre på, om membranlipider undertiden organiserer sig i grupper kaldet domæner, også kendt som "tømmerflåder, "eller hvis de er tilfældigt fordelt i membranen. Organisering af lipider i forskellige domæner i cellemembranen menes at muliggøre funktioner såsom signalering mellem celler.

”Det blev en debat, "Sagde Katsaras." Nogle mennesker troede, at de eksisterede, mens andre mente, at de ikke gjorde det. Der var mange omstændigheder, der kunne støtte begge sider. "

Problemet var, at eksisterende teknikker ikke var i stand til utvetydigt at løse dette spørgsmål.

Neutronspredningsanalyse var nøglen til projektets succes. Lipiddomæner er for små til at blive set af optiske mikroskoper, der bruger lys til at undersøge prøver som f.eks. Biologiske celler. Imidlertid, neutroner har ingen sådan begrænsning og kan bruges til at give et nanoskalabillede af en celle. I øvrigt, i modsætning til andre nanoskala -værktøjer, neutroner kan bruges til at undersøge en levende celle uden at beskadige den.

Mens neutronspredningsanalyser overvandt begrænsningerne ved de andre teknologier, det bød på nogle skræmmende udfordringer i sig selv. Den første var at udvikle et eksperiment, hvor neutroner spredte sig fra lipidmolekyler i membranen uden at interagere med andre komponenter i cellen, såsom proteiner, RNA, DNA og kulhydrater. Den næste udfordring var at skelne en type lipidmolekyle fra en anden.

Løsningen på begge disse udfordringer lå i brugen af ​​deuterium, en isotop af brint, hvis kerne indeholder en neutron såvel som en proton. Derimod, almindelige brintkerner indeholder en proton, men ingen neutron. Mens en biologisk celle selv opfatter lille forskel mellem normalt brint og deuterium, de to isotoper ser meget forskellige ud, når man ser på dem ved hjælp af neutronspredning.

ORNL -teamet skabte en stamme af bakterien indeholdende nok deuterium til at gøre cellestrukturerne i det væsentlige usynlige for neutroner. De sikrede derefter, at lipidmolekylerne i membranen udelukkende bestod af to fedtsyrer indeholdende specifikke mængder deuterium og hydrogen.

De introducerede efterfølgende de to fedtsyretyper med forskellige isotopforhold. Cellemembranen var fri til at skabe og inkorporere i dens membranlipidmolekyler fra dem, med hver lipidtype derefter indeholdende en specifik blanding af de to isotoper. Hvis lipiderne blev fordelt tilfældigt i hele membranen, så fremstår membranen ensartet, når den udsættes for neutroner, ligner en optisk baggrund, der var mellemgrå.

Hvis, imidlertid, lipiderne samlet med andre af deres type, baggrunden ville ophøre med at være ensartet og ville vise, hvad der svarer til lysere og mørkere gråzoner. Dette er faktisk, hvad teamet fandt. De grå pletter detekteret ved hjælp af neutroner målte mindre end 40 nanometer på tværs. Selve membranen var omkring 2,4 nanometer tyk.

ORNL -forskerne understregede, at deres tilgang til at skabe intern kontrast i levende celler ved hjælp af isotoper også lovede anden forskning, åbning af teknikken til målrettet deuteration for andre fysiske teknikker (f.eks. nuklear magnetisk resonansspektroskopi).

"De mennesker, der studerer disse ting, har en tendens til at bruge bestemte typer prober, "Bemærkede Katsaras." De brugte ikke neutronspredning, fordi det ikke var i biologens styrehus. Vores nye eksperimentelle tilgang åbner for nye forskningsområder.

"For eksempel, du kunne bruge de modificerede bakterier som en platform til undersøgelse af antibiotika, fordi mange af disse antibiotika virkelig taler til membranen. "