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. Dank eines innovativen Designs bietet die vorgeschlagene Sonde bemerkenswerte Stabilität, geringe Toxizität und außergewöhnliche Fluoreszenzeigenschaften und ermöglicht die Visualisierung von Änderungen der Lipidmembranordnung während komplexer Prozesse wie der Zellteilung in Echtzeit.
Die Ergebnisse sind veröffentlicht im Tagebuch Fortgeschrittene Wissenschaft.
Lipidmembranen sind mehr als nur 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.
Im Allgemeinen erreichen Lipidmembranen diese Leistungen mithilfe von Proteinen und anderen Molekülen, die auf komplexe Weise in die Membranstruktur integriert sind und häufig deren Fließfähigkeit oder Ordnung verändern. Dementsprechend ist die Untersuchung der Lipidmembranordnung ein wichtiges Teilgebiet der Zellbiologie, nicht zuletzt, weil viele Krankheiten Anomalien in der Lipidmembranordnung verursachen oder durch diese verursacht werden können.
Um die Fluidität von Lipidmembranen 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 der Umgebung ändert.
Wenn diese Farbstoffe in eine Lipidmembran eingeführt werden, hängt die von ihnen emittierte Farbe daher von der Reihenfolge 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 Hürden 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 neuartigen 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), enthielt eine planare Struktur, die aus einem Elektronendonorteil und einem Elektronenakzeptorteil bestand, die durch miteinander verbunden waren eine π-Brücke. Diese Konfiguration erleichterte intramolekulare Ladungstransfers, 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 bemerkt: „In unseren Experimenten konnte FπCM etwa fünf Stunden lang bestehen bleiben, während dies bei Prodan und Laurdan, zwei gut etablierten solvatochromen Farbstoffen, der Fall wäre.“ in etwa 30 Minuten vollständig gelöscht. Die Tatsache, dass wir relativ intensives konfokales Laserlicht verwendet haben, legt nahe, dass FπCM auch gegenüber dem intensiven 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 solvatochromen 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 Membranfluiditätsübergängen 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, allgemein zugänglichen Informationsquelle für Zellbiologen werden.“
Mit etwas Glück werden die außergewöhnlichen Eigenschaften von FπCM Biologen dabei helfen, die Geheimnisse hinter dem Innenleben von Zellen zu entschlüsseln.
Mehr Informationen:
Takuya Tanaka et al., Fluoreszierende solvatochrome Sonden zur Langzeitbildgebung der Lipidordnung in lebenden Zellen, Fortgeschrittene Wissenschaft (2024). DOI: 10.1002/advs.202309721. onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202309721