Новый сольватохромный зонд может помочь пролить свет на взаимосвязь между текучестью липидных мембран и различными клеточными функциями, сообщают ученые из Токийского технологического института и Университета Кюсю. Благодаря инновационной конструкции предлагаемый зонд обладает замечательной стабильностью, низкой токсичностью и исключительными флуоресцентными свойствами, что позволяет визуализировать изменения в порядке липидных мембран в режиме реального времени во время сложных процессов, таких как деление клеток.

Результаты опубликованы в журнале Передовая наука.

Липидные мембраны — это больше, чем просто барьеры, отделяющие клетки и органеллы от окружающей их среды. Они также играют ключевую роль в ряде клеточных функций, таких как движение клеток, обмен веществ, управление отходами и восприятие.

В целом, липидные мембраны выполняют эти задачи с помощью белков и других молекул, которые сложно интегрированы в структуру мембраны, часто изменяя ее текучесть или порядок. Соответственно, изучение порядка липидных мембран является важной областью клеточной биологии, не в последнюю очередь потому, что многие заболевания могут вызывать или быть вызваны нарушениями порядка липидных мембран.

Чтобы визуализировать текучесть липидных мембран, ученые обычно используют флуоресцентные вещества, известные как сольватохромные зонды или красители. Термин «сольватохромный» означает, что свет, излучаемый молекулой, меняет цвет в зависимости от полярности окружающей среды.

Таким образом, при введении в липидную мембрану цвет, излучаемый этими красителями, зависит от порядка липидной мембраны, который тесно связан с полярностью. Однако традиционные сольватохромные красители сталкиваются с рядом проблем, включая низкую стабильность, низкую флуоресцентную эмиссию, клеточную токсичность и зависимость от ультрафиолетового света в качестве источника возбуждения.

В ходе исследования исследовательская группа из Токийского технологического института и Университета Кюсю (Япония) попыталась преодолеть все эти препятствия. Исследовательская группа под руководством доцента Гэнити Кониси из Токийского технологического института и профессора Дзюнъити Икеноути из Университета Кюсю разработала новый сольватохромный краситель, который может произвести революцию в визуализации порядка липидов в реальном времени.

Чтобы разработать новый зонд, команда сначала исследовала и сравнила фотофизические свойства нескольких различных красителей. После некоторых проб и ошибок они остановились на конкретной молекулярной конструкции, которая оправдала все их ожидания. Окончательный вариант зонда, 2-N,N-диэтиламино-7-(4-метоксикарбонилфенил)-9,9-диметилфлуорен (FπCM), имел плоскую структуру, состоящую из электронодонорной и электроноакцепторной частей, соединенных между собой π-мост. Эта конфигурация способствовала внутримолекулярному переносу заряда, который необходим для определения сольватохромных и флуоресцентных свойств молекулы.

Исследователи оценили эффективность предлагаемого красителя посредством обширной серии экспериментов. FπCM продемонстрировал исключительные флуоресцентные свойства и замечательную химическую стабильность не только в растворителях и искусственных липидных мембранах, но и в физиологических условиях в живых клетках.

Одним из наиболее привлекательных аспектов предложенного красителя была его долговременная фотостабильность, как отмечает доктор Кониши: «В наших экспериментах FπCM мог сохраняться примерно пять часов, тогда как Продан и Лаурдан, два хорошо зарекомендовавших себя сольватохромных красителя, были бы полностью гасится примерно за 30 минут. Тот факт, что мы использовали относительно интенсивный конфокальный лазерный свет, предполагает, что FπCM также будет устойчив к интенсивному свету, исходящему от различных устройств».

Примечательно, что команда смогла успешно наблюдать текучесть липидных мембран в течение всего процесса деления клеток, подразумевая, что FπCM нетоксичен, в отличие от других современных сольватохромных красителей. Более того, предложенный зонд можно легко модифицировать для получения производных FπCM, нацеленных на определенные липидные мембраны, например, те, которые обнаружены в клеточных органеллах, таких как митохондрии и эндоплазматический ретикулум.

«Мы считаем, что исследование корреляции между активацией мембранных белков в ответ на стимулы и пространственно-временными изменениями текучести мембран прольет свет на механизмы, лежащие в основе разнообразных функций мембран», — заключает доктор Кониши. «Поскольку живые изображения с помощью FπCM и производных, специфичных для органелл, можно легко выполнить с помощью обычных конфокальных микроскопов, порядок мембран может стать стандартным, широко доступным источником информации для клеточных биологов».

Если повезет, исключительные свойства FπCM помогут биологам раскрыть секреты внутренней работы клеток.