В Корнелльском университете (Cornell University) с помощью новых методов расширительной микроскопии получают ранее недоступную информацию о липидах — водоотталкивающих динамических компонентах стенок клеток и органелл. Разработанный в Корнелле метод называется микроскопией липидного расширения (англ. Lipid Expansion Microscopy, LExM), и он позволяет более подробно изучить биологические мембраны, которые, как известно, являются местом передачи межклеточных сигналов и обмена питательными веществами.
Тема важная: по словам сотрудницы Корнелла Бриттани Уайт-Матье (Brittany White-Mathieu), нарушение изучаемых процессов приводит к развитию опасных заболеваний.
«Способность наблюдать мембранные взаимодействия или то, как мембраны меняются в ответ на определённые стимулы, может пролить свет на то, как клетки реагируют на внешние факторы, которые могут быть хорошими или плохими для нашего организма», — говорит Уайт-Матье.
Расширительная микроскопия улучшает конечное разрешение изображения во время обычной микроскопии путём физического увеличения самого организма или молекулы. Небольшие структуры расширяются с помощью полимерной системы. Химические вещества используются для создания полимера, содержащего заряженные компоненты (т. н. боковые цепи), полимерную сетку вводят в образец клетки или ткани. Когда образец помещают в воду, боковые цепи впитывают воду и расширяются, растягивая образец.
Липиды гидрофобны — именно их водоотталкивающие свойства определяют их эффективность как защитного барьера. Это становится проблемой при получения изображений с помощью расширительной микроскопии. По словам профессора Корнелльского университета Джереми Баскина (Jeremy Baskin), обычные методы этого типа микроскопии не работают с липидами.
Динамическая природа мембранных образований и процессов, необходимых для перемещения содержимого клетки с одной стороны мембраны на другую, также затрудняет наблюдение защитных липидных мембран.
«Проблема, которую мы пытаемся решить с помощью нашего метода, заключается в возможности рассмотреть, что происходит, когда разные части клетки располагаются близко друг к другу», — пояснил Баскин.
Поскольку размер клеточных мембран — порядка единиц нанометров, для детального наблюдения мембран необходимы методы визуализации со сверхразрешением.
Исследователи применили подход, основанный на разработанных Мортеном Мелдалом, К. Барри Шарплессом и Каролин Бертоцци клик- и биоортогональной химии (см. Нобелевка по химии — 2022: клик-химия и методы биоортогональной химии). Клик-химия даёт возможность быстро и эффективно соединять молекулы. Биоортогональная химия расширяет возможности клик-химии, позволяя проводить реакции клик-химии в живых организмах. Баскин был докторантом в лаборатории разработчика биоортогональной химии Кэролин Бертоцци в середине 2000-х.
«Нашей целью было разработать химические реакции для маркировки молекул внутри живых клеток, — рассказывает Баскин. — Они вроде как должны соединяться вместе, как части ремня безопасности или как две части головоломки, где единственные две детали, которые должны быть рядом друг с другом, — это две правильные в море из миллиона других частей».
Когда интерактивные клик-метки были введены, образцы клеток приняли эти молекулы и включили их в липиды. Затем исследователи ввели разработанный ими флуоресцентный реагент, который реагирует с клик-маркерами на липидах. Реагент содержит полимеризуемый элемент, который включается в полимерную сетку во время процесса расширения. Когда образец расширяется, липид присоединяется непосредственно к полимерной сетке через флуоресцентное соединение.
Данная технология, совместимая со стандартными конфокальными микроскопами, может быть использована для визуализации фосфолипидов и клеточных мембран в высоком разрешении в различных физиологических условиях. Исследователи заявили, что она потенциально может быть использована и для изучения генетических заболеваний, связанных с нарушением липидного обмена, — области, где дальнейшие исследования важны для разработки лучших методов лечения.
