Das Team macht Fortschritte mit fluoreszierenden Farbstoffen, um die Ordnung der Lipidmembranen in lebenden Zellen besser sichtbar zu machen

Eine neue solvatochrome Sonde könnte dabei helfen, Aufschluss über die Beziehung zwischen der Fluidität der Lipidmembran und verschiedenen Zellfunktionen zu geben, berichten Wissenschaftler des Tokyo Institute of Technology und der Kyushu University. Durch ein innovatives Design bietet die vorgeschlagene Sonde bemerkenswerte Stabilität, geringe Toxizität und außergewöhnliche Fluoreszenzeigenschaften und ermöglicht die Visualisierung von Echtzeitänderungen in der Reihenfolge von Lipidmembranen während komplexer Prozesse wie der Zellteilung.

Die Ergebnisse werden in der Zeitschrift veröffentlicht Fortgeschrittene Wissenschaft.

Lipidmembranen sind mehr als einfache Barrieren, die Zellen und Organellen von ihrer Umgebung trennen. Sie spielen auch eine Schlüsselrolle bei verschiedenen Zellfunktionen, etwa bei der Zellbewegung, dem Materialaustausch, der Abfallentsorgung und der Wahrnehmung.

Typischerweise erreichen Lipidmembranen diese Leistungen mithilfe von Proteinen und anderen Molekülen, die fest in die Membranstruktur integriert sind und häufig deren Fließfähigkeit oder Ordnung verändern. Dementsprechend stellt die Untersuchung der Lipidmembranordnung ein wichtiges Teilgebiet der Zellbiologie dar, insbesondere weil viele Krankheiten Anomalien in der Lipidmembranordnung verursachen oder durch diese verursacht werden können.

Um die Fließfähigkeit der Lipidmembran sichtbar zu machen, verwenden Wissenschaftler typischerweise fluoreszierende Substanzen, sogenannte solvatochrome Sonden oder Farbstoffe. Der Begriff „solvatochrom“ bedeutet, dass das vom Molekül emittierte Licht seine Farbe abhängig von der Polarität des umgebenden Mediums ändert.

Wenn diese Farbstoffe in eine Lipidmembran eingeführt werden, hängt die von ihnen emittierte Farbe daher von der Ordnung der Lipidmembran ab, die eng mit der Polarität zusammenhängt. Herkömmliche solvatochrome Farbstoffe stehen jedoch vor mehreren Herausforderungen, darunter geringe Stabilität, geringe Fluoreszenzemissionen, Zelltoxizität und die Abhängigkeit von ultraviolettem Licht als Anregungsquelle.

In der Studie versuchte das Forschungsteam des Tokyo Institute of Technology und der Kyushu University, Japan, all diese Hindernisse zu überwinden. Die Forschungsgruppe unter der Leitung von außerordentlichem Professor Gen-ichi Konishi von der Tokyo Tech und Professor Junichi Ikenouchi von der Kyushu-Universität entwickelte einen neuen solvatochromen Farbstoff, der die Echtzeitbildgebung der Lipidordnung revolutionieren könnte.

Um ihre neue Sonde zu entwickeln, untersuchte und verglich das Team zunächst die photophysikalischen Eigenschaften mehrerer verschiedener Farbstoffe. Nach einigem Ausprobieren entschieden sie sich für ein bestimmtes molekulares Design, das alle ihre Erwartungen erfüllte. Die endgültige Version der Sonde, 2-N,N-Diethylamino-7-(4-methoxycarbonylphenyl)-9,9-dimethylfluoren (FπCM), bestand aus einer planaren Struktur, die aus einem Elektronendonorteil und einem Elektronenakzeptorteil bestand, die durch a verbunden waren π-Brücke. Diese Konfiguration erleichtert intramolekulare Ladungsübertragungen, die für die Definition der solvatochromen und fluoreszierenden Eigenschaften des Moleküls unerlässlich sind.

Die Forscher bewerteten die Leistung des vorgeschlagenen Farbstoffs durch eine umfassende Reihe von Experimenten. FπCM zeigte außergewöhnliche Fluoreszenzeigenschaften und bemerkenswerte chemische Stabilität nicht nur in Lösungsmitteln und künstlichen Lipidmembranen, sondern auch unter physiologischen Bedingungen in lebenden Zellen.

Einer der attraktivsten Aspekte des vorgeschlagenen Farbstoffs war seine langfristige Photostabilität, wie Dr. Konishi anmerkt: „In unseren Experimenten könnte FπCM etwa fünf Stunden lang bestehen bleiben, während Prodan und Laurdan, zwei gut etablierte Solvatochromfarbstoffe, beständig wären.“ . in ca. 30 Minuten vollständig erloschen. Die Tatsache, dass wir relativ intensives konfokales Laserlicht verwendeten, legt nahe, dass FπCM auch gegenüber intensivem Licht verschiedener Geräte resistent wäre.

Insbesondere konnte das Team die Fluidität der Lipidmembran während des gesamten Prozesses der Zellteilung erfolgreich beobachten, was darauf hindeutet, dass FπCM im Gegensatz zu anderen hochmodernen Solvatochrom-Farbstoffen ungiftig ist. Darüber hinaus kann die vorgeschlagene Sonde leicht modifiziert werden, um FπCM-Derivate zu produzieren, die auf spezifische Lipidmembranen abzielen, wie sie beispielsweise in zellulären Organellen wie Mitochondrien und dem endoplasmatischen Retikulum vorkommen.

„Wir glauben, dass die Untersuchung der Korrelation zwischen der Aktivierung von Membranproteinen als Reaktion auf Reize und räumlich-zeitlichen Übergängen in der Membranflüssigkeit Aufschluss über die Mechanismen geben wird, die verschiedenen Membranfunktionen zugrunde liegen“, schließt Dr. Konishi. „Da Live-Bildgebung mit FπCM und organellenspezifischen Derivaten problemlos mit herkömmlichen konfokalen Mikroskopen durchgeführt werden kann, könnte die Membranordnung zu einer standardmäßigen und allgemein zugänglichen Informationsquelle für Zellbiologen werden.“

Hoffentlich werden die außergewöhnlichen Eigenschaften von FπCM Biologen dabei helfen, die Geheimnisse des Innenlebens von Zellen zu entschlüsseln.