Postępy w barwnikach fluorescencyjnych poprawiają wizualizację komórek

Nowa sonda sulfachromowa może pomóc rzucić światło na związek między płynnością błony lipidowej a różnymi funkcjami komórkowymi, twierdzą naukowcy z Tokijskiego Instytutu Technologii i Uniwersytetu Kiusiu. Dzięki innowacyjnej konstrukcji proponowana sonda zapewnia niezwykłą stabilność, niską toksyczność i wyjątkowe właściwości fluorescencyjne, dzięki czemu możliwa jest wizualizacja w czasie rzeczywistym zmian w układzie błon lipidowych podczas złożonych procesów, takich jak podział komórki.

Błony lipidowe to coś więcej niż zwykłe bariery oddzielające komórki i organelle od otaczającego ich środowiska. Odgrywają również kluczową rolę w wielu funkcjach komórkowych, takich jak ruch komórek, wymiana materiałów, gospodarka odpadami i wykrywanie. Ogólnie rzecz biorąc, błony lipidowe dokonują tych wyczynów za pomocą białek i innych cząsteczek, które są misternie zintegrowane ze strukturą błony, często modyfikując jej płynność lub układ. W związku z tym badanie rozmieszczenia błon lipidowych jest ważną dziedziną biologii komórki, między innymi dlatego, że wiele chorób może być spowodowanych lub wynikać z nieprawidłowości w rozmieszczeniu błon lipidowych.

Aby zwizualizować płynność błony lipidowej, naukowcy zazwyczaj używają materiałów fluorescencyjnych, znanych jako sondy lub barwniki rozpuszczalnikowe. Termin „solwatochromiczny” oznacza, że ​​światło emitowane przez cząsteczkę zmienia kolor w zależności od polarności otaczającego środowiska. Zatem po wprowadzeniu do błony lipidowej barwa emitowana przez te pigmenty zależy od ułożenia błony lipidowej, co jest ściśle związane z polarnością. Jednak konwencjonalne barwniki rozpuszczalnikowe chromu stoją przed kilkoma wyzwaniami, w tym niską stabilnością, niską emisją fluorescencji, cytotoksycznością i poleganiem na świetle ultrafioletowym jako źródle wzbudzenia.

W niedawnym badaniu opublikowanym w czasopiśmie Advanced Science (DOI: 10.1002/advs.202309721) zespół badawczy z Tokijskiego Instytutu Technologii i Uniwersytetu Kyushu w Japonii starał się pokonać wszystkie te przeszkody. Grupa badawcza, kierowana przez profesora nadzwyczajnego Jin-ichi Konishi z Tokyo Tech i profesora Junichi Ikinouchi z Uniwersytetu Kyushu, opracowała nowy barwnik sulfatochromowy, który może zrewolucjonizować obrazowanie układu lipidów w czasie rzeczywistym.

Aby opracować nową sondę, zespół najpierw zbadał i porównał właściwości fotofizyczne kilku różnych barwników. Po kilku próbach i błędach zdecydowali się na konkretny projekt molekularny, który spełnił wszystkie ich oczekiwania. Ostateczna wersja sondy, 2-N,N-dietyloamino-7-(4-metoksykarbonylofenylo)-9,9-dimetylofluoren (FπCM), składa się z płaskiej struktury składającej się z części będącej donorem elektronów i części akceptora elektronów połączonych ze sobą przez mostek π. Taka konfiguracja ułatwiła wewnątrzcząsteczkowe transfery ładunku, które są niezbędne do określenia właściwości solwatacyjnych i fluorescencyjnych cząsteczki.

Naukowcy ocenili działanie proponowanego barwnika w drodze kompleksowej serii eksperymentów. FπCM wykazał wyjątkowe właściwości fluorescencyjne i niezwykłą stabilność chemiczną nie tylko w rozpuszczalnikach i syntetycznych błonach lipidowych, ale także w warunkach fizjologicznych w żywych komórkach. Dr Konishi zauważa, że ​​jednym z najbardziej atrakcyjnych aspektów proponowanego barwnika była jego długoterminowa fotostabilność: „W naszych eksperymentach FπCM mógł utrzymywać się przez około pięć godzin, podczas gdy Prodan i Laurdan, dwa dobrze znane barwniki rozpuszczalnikowe, mogły zostać całkowicie ugaszona.” Za około 30 minut. „Fakt, że zastosowaliśmy stosunkowo intensywne światło lasera konfokalnego sugeruje, że FπCM będzie również odporny na intensywne światło pochodzące z różnych urządzeń”.

Warto zauważyć, że zespołowi udało się z powodzeniem zaobserwować płynność błony lipidowej podczas całego procesu podziału komórek, co oznacza, że ​​FπCM jest nietoksyczny w przeciwieństwie do innych nowoczesnych barwników chromianowo-rozpuszczalnikowych. Co więcej, proponowaną sondę można łatwo zmodyfikować w celu wytworzenia pochodnych FπCM ukierunkowanych na określone błony lipidowe, takie jak te znajdujące się w organellach komórkowych, takich jak mitochondria i retikulum endoplazmatyczne.

„Wierzymy, że badanie związku między aktywacją białek błonowych w odpowiedzi na bodźce a czasoprzestrzennymi przejściami płynności błony rzuci światło na mechanizmy leżące u podstaw różnorodnych funkcji błon” – podsumowuje dr Konishi. „Ponieważ obrazowanie na żywo za pomocą FπCM i pochodnych specyficznych dla organelli można łatwo przeprowadzić przy użyciu konwencjonalnych mikroskopów konfokalnych, układ membran może stać się standardowym i szeroko dostępnym źródłem informacji dla biologów komórkowych”.

Przy odrobinie szczęścia wyjątkowe właściwości FπCM pomogą biologom odkryć tajemnice wewnętrznego funkcjonowania komórek.

O Tokijskim Instytucie Technologii

Politechnika Tokijska stoi na czele badań i szkolnictwa wyższego jako wiodący uniwersytet naukowo-techniczny w Japonii. Naukowcy z Tokyo Tech wyróżniają się w różnych dziedzinach, od materiałoznawstwa po biologię, informatykę i fizykę. Założony w 1881 roku Uniwersytet Technologiczny w Tokio co roku kształci ponad 10 000 studentów studiów licencjackich i magisterskich, którzy stają się liderami naukowymi i jednymi z najbardziej poszukiwanych inżynierów w branży. Ucieleśniając japońską filozofię „monotsukuri”, co oznacza „kreatywność techniczną i innowacje”, społeczność Tokyo Tech stara się wnosić wkład w społeczeństwo poprzez badania o dużym wpływie.

https://www.titech.ac.jp/english/

O Uniwersytecie Kyusio

Założona w 1911 roku, Uniwersytet KiusiuJest to jedna z wiodących japońskich instytucji szkolnictwa wyższego zorientowanych na badania i konsekwentnie plasuje się w pierwszej dziesiątce japońskich uniwersytetów w światowych rankingach uniwersytetów Times Higher Education i rankingach uniwersytetów QS World. Uniwersytet jest jednym z siedmiu krajowych uniwersytetów Japonii, zlokalizowanym w Fukuoce, na wyspie Kiusiu – najbardziej wysuniętej na południowy zachód z czterech głównych wysp Japonii, o liczbie ludności i powierzchni nieco większej niż Belgia. Liczne kampusy Uniwersytetu Kyushu – w których studiuje około 19 000 studentów oraz 8 000 wykładowców i pracowników – znajdują się wokół Fukuoki, miasta portowego często zaliczanego do najbardziej przyjaznych do życia miast na świecie i historycznie znanego jako japońska brama do Azji. Z którego Wizja 2030Kyushu Yu będzie „napędzać zmiany społeczne poprzez integracyjną wiedzę”. Integrując szeroką wiedzę, od nauk humanistycznych i artystycznych po nauki inżynieryjne i medyczne, Kyushu Yu będzie rozwijać swoje badania w kluczowych obszarach dekarbonizacji, medycyny i zdrowia, środowiska i żywności, aby zająć się najpilniejszymi problemami społeczeństwa.