Brug af vandmolekyler til at aflæse elektrisk aktivitet i lipidmembraner

Hver menneskelig celle er indkapslet i en fem nanometer tyk lipidmembran, der beskytter den mod det omgivende miljø. Som en portvagt, membranen bestemmer hvilke ioner og molekyler der kan passere igennem. Ved at gøre sådan, det sikrer cellens velvære og stabilitet og giver den mulighed for at kommunikere via elektriske signaler.

Forskere fra Laboratory for fundamental BioPhotonics (LBP) i EPFL's School of Engineering var i stand til at spore disse bevægelige ladninger i realtid på en fuldstændig ikke-invasiv måde. I stedet for at observere selve membranerne, de så på de omgivende vandmolekyler, hvilken, ud over at holde membranen intakt, ændre orientering i nærvær af elektriske ladninger. Så ved at 'læse' deres holdning, forskerne var i stand til at skabe et dynamisk kort over, hvordan ladninger transporteres over en membran.

Forskernes metode er netop offentliggjort i tidsskriftet Proceedings of the National Academy of Sciences ( PNAS ). Det kunne kaste lys over, hvordan ionkanaler fungerer, sammen med andre processer, der arbejder i membraner. Denne klinisk levedygtige metode kan potentielt også bruges til direkte at spore ionaktivitet i neuroner, som ville uddybe forskernes viden om, hvordan nerveceller fungerer. "Vandmolekyler kan findes overalt, hvor der er lipidmembraner, som har brug for disse molekyler for at eksistere, " siger Sylvie Roke, leder af LBP. "Men indtil nu, de fleste undersøgelser af membraner så ikke på disse molekyler. Vi har vist, at de indeholder vigtig information."

Forskerne gjorde dette ved at bruge et unikt sekundærharmonisk mikroskop, der blev opfundet ved LBP. Billeddannelseseffektiviteten af ​​dette mikroskop er mere end tre størrelsesordener større end eksisterende andenharmoniske mikroskoper. Med dette mikroskop, forskerne fik billeder af vandmolekyler på en tidsskala på 100 millisekunder.

For at undersøge lipidmembranernes hydrering, forskerne kombinerer to lasere med samme frekvens (femtosekund-impulser) i en proces, der genererer fotoner med en anden frekvens:dette er kendt som andet harmonisk lys. Det genereres kun ved grænseflader og afslører information om orienteringen af ​​vandmolekyler. "Vi kan observere, hvad der sker in situ, og vi behøver ikke at ændre miljøet eller bruge voluminøse markører som fluoroforer, der ville forstyrre vandmolekylers bevægelse, " siger Orly Tarun, publikationens hovedforfatter.

Med denne metode, forskerne observerede ladningsudsving i membraner. Sådanne udsving var tidligere ukendte og antydede meget mere kompleks kemisk og fysisk adfærd, end det i øjeblikket anses for.