Zwei Labore der Fakultät für Chemie der University of Utah haben sich zusammengeschlossen, um Bildgebungsverfahren zu verbessern, die es Wissenschaftlern bald ermöglichen könnten, die Signalübertragung in funktionierenden Zellen und andere für das Leben zentrale molekulare Prozesse besser zu beobachten.
Die Labore von Noriega und Hammond, deren Fachwissen in Materialchemie und chemischer Biologie sich ergänzte, machten entscheidende Entdeckungen angekündigt diesen Monat im Zeitschrift der American Chemical Society die dieses Ziel voranbringen könnten.
„Wir versuchen, eine neue Art von Bildgebungsverfahren zu entwickeln, eine Möglichkeit, in Zellen hineinzuschauen und sowohl ihre wirklich komplexen Strukturmerkmale zu erkennen als auch Informationen über ihre Aktivität zu erfassen“, sagte Co-Autor Ming Hammond.
„Aktuelle Methoden liefern hochauflösende Details der Zellstruktur, weisen aber einen herausfordernden ‚blinden Fleck‘ auf, wenn es um die Funktion geht. In diesem Artikel untersuchen wir ein Werkzeug, das in der Elektronenmikroskopie angewendet werden könnte, um gleichzeitig über Struktur und Funktion zu berichten.“
Biologische Proben benötigen häufig „Marker“ oder Moleküle, die die Quelle erkennbarer Signale sind, erklärte Co-Autor Rodrigo Noriega. Ein weit verbreiteter Markertyp sind Flavoproteine, die bei Lichtanregung eine chemische Reaktion auslösen, die metallabsorbierende Polymerpartikel erzeugt, deren hoher Kontrast im Elektronenmikroskop leicht zu erkennen ist.
„Frühere Arbeiten konzentrierten sich auf die Markierungen ohne die Materialien, die sie erzeugen, aber unsere Studie bezieht die Schritte der Materialchemie in das Modell mit ein“, sagte Noriega, der in diesem Jahr im Rahmen eines Programms zum Sloan Research Fellow ernannt wurde, das Nachwuchswissenschaftler auszeichnet, deren Forschung das Potenzial hat, ihr Fachgebiet zu revolutionieren.
Wissenschaftler hatten lange angenommen, dass ein Mechanismus mit der Bildung von Singulett-Sauerstoff, einer speziellen Art reaktiver Sauerstoffspezies, im Spiel sei. Das U-Team fand jedoch heraus, dass der Elektronentransfer zwischen dem photoangeregten Marker und den Polymerbausteinen der Hauptfaktor für den Prozess ist.
„Wir untersuchen ein Werkzeug, das andere Leute häufig als Grundlage für diese neue Art der Bildgebung verwendet haben, und alle dachten, dass es auf eine bestimmte Weise funktioniert“, sagte Hammond, „aber unsere photophysikalischen Studien haben einen überraschenden Mechanismus enthüllt.“ Dieser bisher übersehene Elektronentransferweg erzeugt reaktive Spezies, die die gewünschte Kontrastquelle für die Elektronenmikroskopie liefern, ohne dass Singulett-Sauerstoff erforderlich ist.
Diese neuen Informationen könnten Wissenschaftlern helfen, das Design dieser Marker zu verbessern, so Noriega und Hammond. Das Team der Universität hat beispielsweise auf Grundlage dieser Ergebnisse die Anzahl und Art der verwendeten Polymerbausteine erweitert, Marker verwendet, die zwar schlechte Singulett-Sauerstoffquellen, aber hervorragende Elektronentransferpartner sind, und Kontrastmittel in Umgebungen gezüchtet, die zuvor nicht möglich waren.
„Über ihre Verwendung in der Elektronenmikroskopie hinaus ermöglichen diese Marker, zwei Bilder derselben Probe zu erhalten, eines mit Lichtmikroskopie und eines mit Elektronenmikroskopie. Diese Art von mehrschichtigem Bild enthält viel mehr Informationen als jedes der beiden allein“, sagte Noriega. Diese Methode, die als korrelative Mikroskopie bezeichnet wird, ist wie die verschiedenen Schichten in Google Maps, erklärte Noriega.
Diese Fortschritte könnten es Wissenschaftlern ermöglichen, die Zellsignalisierung, einen der grundlegenden Prozesse des Lebens, besser zu verstehen, und zwar nicht nur innerhalb einzelner Zellen, sondern auch zwischen Zellgemeinschaften.
„Zellen kommunizieren mithilfe chemischer Stoffe miteinander. Das ist ihre Sprache, mit der sie erkennen, ob ihre Nachbarn freundlich oder feindselig sind. So arbeiten sie zusammen, konkurrieren miteinander und können sich sogar innerhalb einer Gemeinschaft tarnen“, sagte Hammond.
Um diese chemischen Signale zwischen Zellgruppen in einer komplexen räumlichen Anordnung abzubilden, müssen sie die Aktivitätsniveaus im Kontext der Probenstruktur erkennen. „Wir würden gerne ihre Kommunikation sehen, aber wir wollen auch ihre Nachbarschaft sehen.“
Weitere Informationen:
Mohd Sajid Lone et al, Elektronentransfer treibt die photosensibilisierte Polymerisation von Kontrastmitteln durch Flavoprotein-Tags für die korrelative Mikroskopie an, Zeitschrift der American Chemical Society (2024). DOI: 10.1021/jacs.4c05397