Team gør fremskridt med fluorescerende farvestoffer for bedre at visualisere lipidmembranrækkefølgen i levende celler

En ny solvatochromisk probe kan hjælpe med at kaste lys over forholdet mellem lipidmembranfluiditet og forskellige cellulære funktioner, rapporterer forskere ved Tokyo Institute of Technology og Kyushu University. Takket være et innovativt design tilbyder den foreslåede probe bemærkelsesværdig stabilitet, lav toksicitet og exceptionelle fluorescerende egenskaber, hvilket gør det muligt at visualisere ændringer i lipidmembranernes rækkefølge i realtid under komplekse processer, såsom celledeling.

Resultaterne er offentliggjort i tidsskriftet Advanced Science .

Lipidmembraner er mere end blot simple barrierer, der adskiller celler og organeller fra deres omgivende miljø. De spiller også nøgleroller i flere cellulære funktioner, såsom cellebevægelse, materialeudveksling, affaldshåndtering og sansning.

Generelt opnår lipidmembraner disse bedrifter ved hjælp af proteiner og andre molekyler, som er indviklet integreret i membranstrukturen, hvilket ofte ændrer dens flydende eller rækkefølge. Studiet af lipidmembranernes orden er derfor et vigtigt underområde i cellulær biologi, ikke mindst fordi mange sygdomme kan forårsage eller være forårsaget af abnormiteter i lipidmembranrækkefølgen.

For at visualisere lipidmembranfluiditeten anvender forskere typisk fluorescerende stoffer kendt som solvatokromiske prober eller farvestoffer. Udtrykket "solvatokrom" betyder, at lyset, der udsendes af molekylet, ændrer farve afhængigt af polariteten af ​​det omgivende miljø.

Når de indføres i en lipidmembran, afhænger farven, der udsendes af disse farvestoffer, af lipidmembranens rækkefølge, som er tæt forbundet med polaritet. Konventionelle solvatokrome farvestoffer står imidlertid over for adskillige udfordringer, herunder lav stabilitet, lave fluorescerende emissioner, celletoksicitet og afhængighed af ultraviolet lys som excitationskilde.

I undersøgelsen forsøgte forskerholdet fra Tokyo Institute of Technology og Kyushu University, Japan, at overvinde alle disse forhindringer. Forskergruppen, ledet af lektor Gen-ichi Konishi fra Tokyo Tech og professor Junichi Ikenouchi fra Kyushu University, udviklede et nyt solvatokromt farvestof, der kunne revolutionere billeddannelse af lipidorden i realtid.

For at udvikle deres nye sonde undersøgte og sammenlignede holdet først de fotofysiske egenskaber af flere forskellige farvestoffer. Efter nogle forsøg og fejl, besluttede de sig for et bestemt molekylært design, der levede op til alle deres forventninger. Den endelige version af sonden, 2-N,N-diethylamino-7-(4-methoxycarbonylphenyl)-9,9-dimethylfluoren (FπCM), inkluderede en plan struktur bestående af en elektrondonordel og en elektronacceptordel forbundet med hinanden en π-bro. Denne konfiguration lettede intramolekylære ladningsoverførsler, som er afgørende for at definere molekylets solvatokromiske og fluorescerende egenskaber.

Forskerne evaluerede ydeevnen af ​​det foreslåede farvestof gennem en omfattende række eksperimenter. FπCM demonstrerede exceptionelle fluorescerende egenskaber og bemærkelsesværdig kemisk stabilitet, ikke kun i opløsningsmidler og kunstige lipidmembraner, men også under fysiologiske forhold i levende celler.

Et af de mest attraktive aspekter ved det foreslåede farvestof var dets langsigtede fotostabilitet, som Dr. Konishi bemærker:"I vores eksperimenter kunne FπCM vare i cirka fem timer, hvorimod Prodan og Laurdan, to veletablerede solvatochromiske farvestoffer, ville være fuldstændig slukket på cirka 30 minutter Det faktum, at vi brugte relativt intenst konfokalt laserlys, tyder på, at FπCM også ville være modstandsdygtigt over for det intense lys, der kommer fra forskellige enheder."

Navnlig kunne holdet med succes observere lipidmembranfluiditet under hele celledelingsprocessen, hvilket antyder, at FπCM er ikke-toksisk, i modsætning til andre avancerede solvatochromiske farvestoffer. Desuden kan den foreslåede probe let modificeres til at producere FπCM-derivater rettet mod specifikke lipidmembraner, såsom dem, der findes i cellulære organeller som mitokondrier og det endoplasmatiske retikulum.

"Vi mener, at undersøgelse af sammenhængen mellem membranproteinaktivering som reaktion på stimuli og rumlige membranfluiditetsovergange vil kaste lys over de mekanismer, der ligger til grund for forskellige membranfunktioner," konkluderer Dr. Konishi. "Da levende billeddannelse med FπCM og organelspecifikke derivater nemt kan udføres med konventionelle konfokale mikroskoper, kan membranrækkefølge blive en standard, bredt tilgængelig informationskilde for cellebiologer."

Med lidt held vil FπCM's exceptionelle egenskaber hjælpe biologer med at låse op for hemmelighederne bag cellernes indre funktion.

Flere oplysninger: Takuya Tanaka et al., Fluorescerende Solvatochromic Probes for Long-Term Imaging of Lipid Order in Living Cells, Advanced Science (2024). DOI:10.1002/advs.202309721. onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202309721

Journaloplysninger: Avanceret videnskab

Leveret af Tokyo Institute of Technology