Ein Forschungsteam unter der Leitung von Professor Dae-ha Seo am Fachbereich Physik und Chemie des Daegu Gyeongbuk Institute of Science and Technology hat erfolgreich eine neue Technologie für die optische Mikroskopieanalyse entwickelt – bekannt als Lipid-MAP –, mit der die mikroskopische Phasentrennung beobachtet werden kann in der Zellmembran.
Von dieser neuen Technologie, die traditionelle Mikroskopie mit Nanochemie und maschinellem Lernen kombiniert, wird erwartet, dass sie eine wichtige experimentelle Strategie zur Erforschung der Regulierung der Zellsignalisierung auf Einzelmolekülebene bietet. Die Studie ist veröffentlicht im Tagebuch Analytische Chemie.
Zellen, die von der Zellmembran umgeben sind, sind die Grundbausteine aller lebenden Organismen. In der Zellmembran existiert eine nanoskalige, mikroskopische und inselartige Lipidstruktur. Die Struktur spielt eine entscheidende Rolle bei der Interaktion zwischen Biomolekülen, chemischen Reaktionen und Signalen. Allerdings ist es mit bestehenden Beobachtungsmethoden schwierig, die Struktur direkt zu beobachten.
Mithilfe von Gold-Nanosonden und maschineller Lerntechnologie gelang es einem Forschungsteam unter der Leitung von Professor Dae-ha Seo, Struktureigenschaften auf Nanoebene quantitativ zu identifizieren. Durch das Phänomen der Oberflächenplasmonenresonanz haben Goldnanopartikel die Eigenschaft, Licht hell zu streuen. Mithilfe dieser Eigenschaft implementierte das Forschungsteam ein System, das eine direkte Beobachtung der Bewegung einzelner Moleküle durch die Bindung von Goldnanopartikeln an Lipidmoleküle ermöglicht.
Durch die Einführung einer Analysetechnik, die auf Algorithmen des maschinellen Lernens basiert, konnte das Forscherteam Veränderungen in der Bewegung von Lipidmolekülen über einen kurzen Zeitraum (0,01 bis 0,1 Sekunden) erkennen und dadurch erfolgreich die Mikrophasentrennungsstruktur der Zellmembran identifizieren .
Die Mikro-Lipid-Inselstruktur, auch Lipid-Raft genannt, besteht bekanntermaßen hauptsächlich aus Cholesterin und gesättigten Lipiden, die lokal gesammelt werden. Das Forschungsteam bestätigte, dass die Größe und Eigenschaften der Struktur durch die molekulare Zusammensetzung der Zellmembran bestimmt werden, und zeigte, dass sie sich aufgrund des Cholesteringehalts in der Zellmembran oder aufgrund verschiedener anderer Umweltfaktoren ändern kann.
Professor Seo erklärte: „Dies ist die erste Technologie, die Lipidflöße in Echtzeit über einen weiten Bereich abbildet, und ihre räumliche und zeitliche Auflösung ist hervorragend. Ich hoffe, dass die Forschungsergebnisse als Grundlage für ein grundlegendes Verständnis der Zellfunktion und des Krankheitsmechanismus dienen werden.“ und wird sich zu einer Präzisionsdiagnosetechnologie für Krankheiten entwickeln.“
Mehr Informationen:
Jiseong Park et al., Analyse der Phasenheterogenität in Lipidmembranen mittels Einzelmolekülverfolgung in lebenden Zellen, Analytische Chemie (2023). DOI: 10.1021/acs.analchem.3c02655
Bereitgestellt vom Daegu Gyeongbuk Institute of Science and Technology (DGIST)